Моделирование образования вредных веществ при фронтальном горении смеси в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием

В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами предприятий промышленности и энергетики, стационарных силовых установок и транспортных двигателей является одной из важнейших проблем как для развитых индустриальных стран, так и для развивающихся.

При рассмотрении экологических проблем транспорта наибольшее внимание уделяется автомобильным двигателям, поскольку основным видом транспорта для внутригородских и междугородных перевозок является автомобиль, на котором в качестве силового агрегата используется дизель или бензиновый двигатель. Отработавшие газы (ОГ) автомобильных двигателей содержат токсичные вещества и являются источниками повышенного загрязнения атмосферного воздуха, водных источников и почвы вредными веществами [1−6].

В связи с возрастающим количеством автомобилей в крупных городах, в местах сосредоточения автомобильного транспорта концентрация в воздухе вредных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами, превышает санитарные нормы. В 1993 г. в России выбросы. вредных веществ от автомобилей составили 19 млн. т, в том числе 14,7 млн. т оксида углерода, 3,3 млн. т углеводородов, 0,95 млн. т оксидов азота и более 4,75 тыс. т соединений свинца [7]. В 1995 г. доля автомобильного транспорта в общем количестве выбросов вредных веществ составила 38% (суммарные выбросы — 29 млн. т, автомобильный транспорт — 10,9 млн. т), а в 150 городах России выбросы вредных веществ от транспорта составили большую часть всех выбросов. При этом концентрации токсичных компонентов отработавших газов в воздухе нередко превышали предельно допустимые величины в 15−30 раз [8]. За последние 3−5 лет число автомобилей во многих городах стран СНГ удвоилось, а кое-где 5 даже утроилось. За это же время резко увеличилось количество заболеваний органов дыхания у горожан, в том числе у детей — в 7 раз [9]. Каждая машина, прошедшая 15 тыс. км, потребляет 4350 кг кислорода, а выбрасывает 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота [10].

Сравнение дизеля и бензинового двигателя показало, что при использовании неэтилированного бензина бензиновый двигатель почти в 2 раза безопаснее дизеля. Даже с учетом более высокого КПД дизеля приведенный (на единицу работы) вредный выброс дизеля в 1,35 раза больше, чем у бензинового двигателя [11]. Если ранее дизелизацию рассматривали как одно из средств решения проблем экологии, теперь, когда выработаны новые представления об относительной агрессивности токсичных компонентов отработавших газов, правильность этого курса ставится под сомнение.

Проблема снижения загрязнения атмосферы давно перешагнула границы отдельных государств, приобрела международный характер и стала практически общей для всех стран Мира. Из 10 основных загрязнителей воздушной среды, по данным ООН, окись углерода стоит на втором месте [3].

Загрязнение атмосферного воздуха не только влияет на здоровье людей, но и наносит прямой экономический ущерб. Токсичные вещества отработавших газов, содержащиеся в воздухе, воздействуют на животный и растительный мир, почву. Наносится ущерб зданиям, различным строительным материалам, ускоряются процессы коррозии металлов. Так, в промышленных районах скорость коррозии железа и его сплавов возрастает в 20, а алюминия — в 100 раз по сравнению с сельской местностью.

Как показывают прогнозы, дальнейшее увеличение количества автомобилей, а также других установок с ДВС без внедрения эффективных природоохранных мероприятий недопустимо с экологической точки зрения. Поэтому перед двигателестроителями и эксплуатационниками стоит задача рез6 кого уменьшения вредных выбросов, выделяемых установками с ДВС. Разработка и реализация экологически безопасного двигателя возможна только при наличии комплексного подхода, включающего как фундаментальные, так и прикладные исследования в этой области. Особое значение в этой связи имеют исследования, анализирующие основы физических процессов в ДВС, определяющие полноту и состав продуктов сгорания, так как технически неэффективно и экономически нецелесообразно переделывать уже готовые двигатели под ужесточающиеся нормы на токсичность отработавших газов [12, 13]. В этом плане дорогостоящие системы нейтрализации отработавших газов также используются для борьбы со следствием, а не с причиной возникновения токсичных компонентов.

Одним из путей исследования образования вредных веществ в процессе сгорания топлива в ДВС является расчет рабочего процесса, позволяющий: во-первых, проследить динамику образования веществ в процессе сгоранияво-вторых, определить влияние различных факторов на образование вредных веществ еще на стадии проектирования двигателя.

Моделированию и оптимизации рабочих процессов в ДВС посвящены работы Глаголева Н. Г., Вибе И. И., Дьяченко Н. Х., Петриченко Н. М., Разлей-цева Н.Ф., Матиевского Д. Д., Куценко A.C., Батурина СЛ., Третьякова Н. П., Жмудяка JIM. и многих других отечественных и зарубежных ученых [14−24]. Однако, что касается экологических задач, связанных с процессом горения в ДВС с искровым зажиганием, применительно к использованию как традиционных нефтяных, так и новых перспективных топлив, то математические модели и соответствующие методы расчета в настоящее время разработаны недостаточно. По нашему мнению, модель процесса горения в ДВС должна опираться на современные теоретические и экспериментальные достижения в области исследования процессов горения в замкнутых системах постоянного 7 объема — закрытых сосудах. Такого же мнения придерживается ряд исследователей, например, А. Н. Воинов, В. П. Карпов, B.C. Бабкин и др. [25−27].

Основы теории горения газа в закрытом сосуде заложены в работах Нагеля (Nagel А., 1908), Фламма и Махе (Flamm L., Mache Н., 1917), Льюиса и Эльбе, Фиока и других [28−31]. В последующих работах исследования процессов горения гомогенных газовых смесей в замкнутых объемах получили дальнейшее развитие. Некоторые вопросы динамики горения газа, и, прежде всего, в сферическом сосуде с центральным зажиганием, освещены в монографиях [32−38].

Рассмотрение задач горения в двигателе, в том числе, экологических задач, невозможно без учета химических превращений вещества. При этом существуют два подхода. Первый связан с расчетом скорости химической реакции в макрокинетическом (глобальная кинетика) или микрокинетическом (детальная кинетика) приближении. Второй — с термодинамическим расчетом состояния химического равновесия на основе закона действующих масс. Рассмотрение процесса на основе химического равновесия возможно только в квазистационарном приближении (когда достаточно времени для установления равновесия, то есть при достаточно высоких температурах).

Важной особенностью процесса горения в замкнутых объемах (в том числе ДВС) является принципиальная многозонность, связанная с наличием температурного градиента в продуктах горения (Махе-эффекта), который связан с различной эволюцией разных локальных объемов смеси и может достигать нескольких сотен градусов. При этом возникают трудности с правильной записью уравнений энергии для каждого локального объема (динамики температуры) и балансового уравнения энергии (динамики давления) при наличии химических превращений в системе.

Целью настоящей работы является разработка математических моделей и численное исследование процессов образования вредных веществ при 8 фронтальном горении гомогенных топливо-воздушных смесей различного состава в ограниченных объемах и двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием с учетом градиента температуры в продуктах сгорания (Ма-хе-эффекта).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) выбор адекватного подхода и метода исследования образования вредных веществ в процессе горения гомогенных топливо-воздушных смесей в ограниченных объемах;

2) разработка уточненных математических моделей для расчета образования вредных веществ при горении гомогенных смесей в бомбах постоянного объема (БПО) и давления (БПД) в рамках многозонного приближения;

3) проверка адекватности разработанных математических моделей горения топливо-воздушных смесей в БПО и БПД на основе имеющихся литературных данных и оценка влияния Махе-эффекта на образование вредных веществ;

4) модернизация разработанных математических моделей для расчета образования вредных веществ в ДВС с искровым зажиганием в рамках многозонного приближения;

5) численное исследование процесса образования вредных веществ при сгорании различных газовых и жидких топлив в ДВС с искровым зажиганием и оценка влияния Махе-эффекта на процесс, выявление возможностей использования методики расчета при выборе параметров двигателя и рабочего процесса еще на стадии проектирования двигателя;

6) оценка экологических свойств различных моторных газовых и жидких топлив;

7) апробация методики на газовом двигателе 1Г6 производства ОАО ХК «Барнаултрансмаш». 9.

Научная новизна заключается в создании уточненных математических моделей и соответствующего программного обеспечения для расчета образования вредных веществ {СО, N0, Ы02, НСЫ, ЫН3, НИ03) при фронтальном горении углеводородных топлив и их смесей (содержащих С-Н-М-О-элементы) различного состава в ДВС с искровым зажиганием с учетом градиента температуры в продуктах сгорания на основе использования аналогичных исследований в бомбах (постоянного и переменного объема).

Практическая значимость: математическая модель для расчета образования вредных веществ при горении смеси в ДВС с искровым зажиганием может найти применение на стадии проектирования двигателя для оценки влияния регулировочных, режимных и конструктивных факторов на образование вредных веществ с целью повышения его экологической безопасности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Моделирование образования вредных веществ в процессе горения топливо-воздушных смесей в ДВС с искровым зажиганием может быть построено на предположении о достижении химического равновесия в зоне продуктов сгорания. Построена математическая модель фронтального горения смеси в ДВС с искровым зажиганием с учетом равновесного состава продуктов сгорания на основе использования аналогичных исследований в бомбах (постоянного объема и давления) для любых углеводородных топлив и их смесей (содержащих С-Н-А/-0-элементы), отличающаяся следующим: а) учитывается реально существующий градиент температуры в продуктах сгорания (Махе-эффект, который, например, для метано-воздушной смеси стехиометрического состава составляет 600К) путем разбиения их на зоны (одинаковые по массовой доле продуктов) — б) основана на строгих уравнениях энергии для многозонных процессов фронтального и объемного горенияв) позволяет получать функцию выделения теплоты в результате численного моделированияг) учитывается реальная геометрия камеры сгорания (процесс горения протекает во времени и в пространстве) — д) учитывается теплообмен свежей смеси и продуктов сгорания, имеющих различную температуру, с ограждающими поверхностями.

2. С целью оценки адекватности построенной модели реальным процессам проведены численные исследования процессов горения метана (природного газа), пропана, бутана, гептана, изооктана и водорода в бомбах постоянного давления и объема при двухзонном и многозонном приближении. Полученные результаты достаточно хорошо (с точностью от 0,1 до 1,5%) коррелируют с известными теоретическими и экспериментальными данными других авторов, что позволяет сделать вывод о принципиальной верности построенных математических моделей и адекватности их реальным процессам. Учитывая, что физико-химические процессы, протекающие в БПО и БПД, подобны процессам фронтального горения в ДВС, мы получаем надежный способ расчета процессов горения в двигателях.

3. В процессе моделирования равновесного состава продуктов сгорания в бомбах постоянного объема и давления решена важная практическая задача определения показателей пожаровзрывобезопас-ности Е/ и ке. Разработан высокоточный расчетный метод определения коэффициента расширения продуктов сгорания Е, и максимального давления взрыва яе для любых углеводородных топлив и их смесей при горении в кислороде и воздухе произвольной влажности при варьировании состава исходной смеси.

4. Исследованием влияния Махе-эффекта на процесс горения установлено: а) учет реально существующего в двигателе градиента температуры приводит к увеличению суммарной токсичности продуктов сгорания по сравнению с двухзонной моделью на 10−20% в зависимости от вида топлива и состава смесиб) выход токсичных веществ в двухзонной модели наименьший, поэтому интенсивное перемешивание продуктов горения должно приводить к значительному сокращению выбросов вредных веществ в атмосферув) в продуктах сгорания достаточно учитывать 9−10 зон, так как дальнейшее увеличение их числа (например, до 30) на результатах не сказывается.

5. Для ДВС с искровым зажиганием проведены численные иссле.

174 дования процесса горения следующих топлив: метана (природного газа), пропана, бутана, гептана, изооктана, водорода, метанола и бензо-подобной смеси (смеси-92) при двухзонном и многозонном приближении. Оценка экологических свойств рассматриваемых топлив позволила сделать вывод, что увеличение числа атомов углерода в молекуле горючего приводит к увеличению суммарной токсичности продуктов, поэтому наибольшая токсичность продуктов достигается при сгорании смеси-92. Наиболее безопасными топливами с экологической точки зрения являются метан (или природный газ) и метанол, а также водород (за исключением обедненных смесей).

6. Моделирование процесса горения в ДВС с искровым зажиганием при различных параметрах рабочего процесса показало, что модель адекватно реагирует на изменение регулировочных и режимных параметров двигателя, так как выявленные в расчетах тенденции в целом подтверждают известные положение и закономерности: а) основными токсичными составляющими отработавших газов являются оксид углерода, определяющий токсичность продуктов сгорания обогащенных смесей, и окислы азота (из которых практически образуется только NО) определяющие суммарную токсичность продуктов сгорания обедненных смесейб) подтверждена известная зависимость концентрации токсичных веществ в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием от коэффициента избытка воздухав) уменьшение угла опережения зажигания приводит к снижению концентраций окислов азота в продуктах сгорания и соответственно суммарной токсичности продуктов (при сокращении угла опережения на 10 град, п.к.в. снижение концентраций Л/Ох в продуктах сгорания метана и соответственно суммарной токсичности при а=1 может составлять от 20 до 40% в зависимости от степени сжатия и частоты вращения);

175 г) повышение степени сжатия приводит к некоторому увеличению концентраций окислов азота в продуктах, в результате чего токсичность отработавших газов несколько возрастает (при повышении степени сжатия от 8 до 12 увеличение концентраций Л/О* в продуктах сгорания стехиометрической метано-воздушной смеси и соответственно суммарной токсичности может составлять от 1 до 10% в зависимости от угла опережения зажигания и частоты вращения) — д) повышение быстроходности приводит к уменьшению концентраций окислов азота в продуктах сгорания и соответственно снижению суммарной токсичности (уменьшение концентраций Л/Ох в продуктах сгорания стехиометрической метано-воздушной смеси и соответственно суммарной токсичности может составлять от 5 до 30% в зависимости от угла опережения зажигания и степени сжатия при увеличении частоты вращения от 2000 до 6000 мин" 1).

7. Разработанная модель была апробирована на газовом двигателе типа 1Г6 ОАО ХК «Барнаултрансмаш» с различной конфигурацией камеры сгорания (реализованной в поршне). Расчетные и экспериментальные индикаторные диаграммы имеют удовлетворительную сходимость. Получена приемлемая точность расчетов по выбросам основных токсичных компонентов. Модель реагирует на изменение формы камеры сгорания (выброс окислов азота может изменяться в пределах от 10 до 20% при изменении формы камеры сгорания), поэтому при соответствующем учете дополнительных факторов (таких как турбулиза-ция пламени), она может быть использована для решения задачи повышения экологической безопасности двигателя 1Г6.

Заключение

.