Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Объемное содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) сравнительно невелико и составляет 0,2 — 2%. При этом около 90% от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: СО, NOx, СНХ, альдегидов RCHO, диоксида серы S02. Нормируемыми токсичными компонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EURO-4) являются СО, NOx, СНХ и твердые частицы (для дизелей). Нормирование выбросов оксидов серы осуществляется косвенно, через ограничение содержания серы в топливе. Наибольшее содержание альдегидов в ОГ отмечается при работе непрогретого двигателя на режимах пуска и холостого хода, их содержание в ОГ, как правило, не нормируется, поскольку составляет сравнительно небольшую часть в общей массе токсичных веществ. Эти оценки, а также последующие, взяты из наиболее весомых монографий последнего десятилетия Маркова В. А. и др.- Иващенко Н. А. и др.- Звонова В.А.- Горбунова В. В. и Патрахальцева Н.Н.- Кульчицкого А.Р.- Морозова К.А.
Концентрация монооксида углерода СО в ОГ двигателя внутреннего сгорания может достигать значительных величин. Так, на режимах холодного холостого хода при значительном избытке топлива объемная доля СО в ОГ достигает 6 — 12%. Монооксид углерода СО окисляется в атмосфере до нетоксичного диоксида углерода СОг в течение 2−40 месяцев. Из оксидов азота, содержащихся в ОГ, 99% объема приходится на монооксид NO. В атмосфере он окисляется до менее токсичного NO2 в течение от 1 до 100 часов в зависимости от условий окисления.
Следует отметить последовательное ужесточение норм токсичных выбросов в Европе в течение последних десятилетий, причем нормы EURO-4, соответствуют очень низкому содержанию токсичных веществ в ОГ — для легковых автомобилей с расходом топлива ~ 7 л / 100 км предельные объемные доли г со = 0,11%- гмо = 0,0083%- ген = 0,010%. Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса и, конечно, при наличии в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.
В течение последних десятилетий общепринятое математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС является нульмерным (термодинамическим), и полуэмпирическим (модель Вибе). Оно предполагает наличие однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха и, тем самым, концентрации компонентов смеси в камере сгорания (КС). Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей для снижения токсичности ОГ.
Чтобы избежать этого, необходимо использовать более гибкие системы смесеобразования, такие как программируемый (неоднократный) впрыск топлива непосредственно в цилиндр, позволяющий получать в КС наиболее выгодные поля коэффициента избытка воздуха, а перед зажиганием. Такие поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания (где смесь должна быть достаточно богатой), отсутствие детонации к концу горения и малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аср= 1.2,5). Известны работы академика РАН В. Е. Алемасова и его учеников A.JI. Абдуллина, А. В. Демина, В. Г. Крюкова, В. И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгоранияработы Д. Д. Матиевского, П. К. Сеначина, М. Ю. Свердлова, С. В. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС.
В то же время, до сих пор в отечественной литературе отсутствуют решения задачи для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии. Именно этот процесс определяет, в основном, появление оксидов СО и NO в продуктах сгорания. В связи с этим сформулируем следующее.
Целью работы является повышение экологической чистоты рабочих процессов в ДВС с искровым зажиганием по данным теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах, проводимого на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики для процессов горения и турбулентного догорания в цилиндре двигателя.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) моделирование нульмерной химической кинетики горения для потока, пересекающего фронт пламени в ДВСопределение температуры и состава продуктов горения на выходе фронта (продуктов оттока);
2) разработка, с использованием методов химической кинетики, математического описания процесса тепломассообмена для описания догорания продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смесиопределение кинетического механизма догорания продуктовоценка влияния турбулентности на константы скорости реакций;
3) моделирование турбулентного догорания продуктов оттока в объеме камеры сгорания (и цилиндра), анализ расчетного содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах и сравнение с опубликованными экспериментальными данными.
Решение перечисленных задач получено для перспективного ДВС Mitsubishi Galant (1996 г.) с непосредственным впрыском топлива (Gasoline Direct Injection — в дальнейшем GDI) и двигателя ВАЗ-21 011, для которого имеется обширный банк опытных данных. В работе использованы известные методики и программы для расчета: турбулентных полей скорости в полости ф цилиндра в процессах горения и расширения (программа GAS-2, проф. Дунаев.
B.А., ТулГУ) — полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и движения фронта горения в неоднородной горючей смеси (доцент Чесноков.
C.А.).
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
— предложен сокращенный детальный кинетический механизм реакций догорания продуктов оттока за фронтом горения в условиях ДВС (52 реакции для 14 частиц);
— определены поправки к константам скорости химических реакций, учитывающие турбулентные пульсации температур;
— на основе уравнений тепломассообмена и химической кинетики горения разработана математическая модель для описания процесса турбулентного догорания за фронтом пламени и при расширении продуктов сгорания в ДВСф по результатам расчетов проведено сравнение с известными экспериментальными данными;
Исследования базируются на основных положениях химической кинетики и механики гомогенных смесей газовв работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений.
Научная значимость работы заключается в решении задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики при догорании продуктов оттока за фронтом горения, как основного процесса, определяющего образование токсичных веществ в ДВС. Практическая значимость работы заключается в разработке эффективных алгоритмов и программ расчета на ЭВМ, позволяющих произвести расчеты содержания ц оксидов углерода и азота при горении, догорании и выхлопе из двигателя.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.
Брутто-реакции — обобщенные по экспериментальным данным итоговые химические реакции.
Детальный кинетический механизм — теоретический (не обобщенный) механизм элементарных химических реакций с экспериментальными значениями констант скорости.
Гомогенная смесь — составляющие которой (компоненты) перемешаны на молекулярном уровне, например продукты сгоранияв общем случаенеоднородная смесь.
Основные компоненты смеси — мольная доля которых превышает 0,1%. Рабочий режим ДВС ВАЗ-21 011- установившийся режим работы с Р номинальной нагрузкой 50 Нм и числом оборотов коленвала 3000 об/мин.
Радикалы — активные осколки молекул со свободными связями, ф Результирующая скорость обратимой химической реакции — разность скоростей прямой и обратной реакций.
Суммарная скорость образования компонента — алгебраическая сумма результирующих скоростей реакций, в которых участвует компонент.
Химический тепломассообмен — процесс массообмена между реагирующими компонентами продуктов сгорания, происходящий при конвективном и диффузионном ламинарном перемешивании с выделением (поглощением) теплоты химических реакций и наличии теплообмена со стенкой цилиндра.
Турбулентное догорание — процесс химического тепломассообмена при конвективном и диффузионном турбулентном перемешивании продуктов сгорания в полости цилиндра.
Холостой ход ДВС ВАЗ-21 011 (холодный или горячий) — пусковой режим ¦ работы без нагрузки: в течение первых 5. 10 мин — не установившийся холодный (n ~ 1400.1000 об/мин) — после 20 мин — установившийся горячий (п ~ 800 об/мин).
А — предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениусаа — коэффициент температуропроводности, м /сD — коэффициент диффузии, м2/с;
Е — энергия активации в уравнении Аррениуса, Дж/мольF — площадь, м2;
Н — тепловой эффект реакции, Дж/мольgi — массовая доля компонентаh — постоянная ПланкаI — относительная интенсивность излучения- ^ к — - постоянная Больцмана- - показатель адиабаты;
F, к0 — константы скорости прямой и обратной реакцийМ- масса, кг;
NT — кратность коэффициента турбулентного обменап — нормаль, м- - число оборотов коленвала ДВС, об/минрдавление, Па;
Q — выделение тепла при горении, Дж/кг;
R — радиус, м- - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К) — г — мольная (объемная) доля компонентаSp'° - скорости прямой и обратной реакцийTG — температура горения, КU — удельная внутренняя энергия, Дж/кги, w, v — проекции скорости, м/с- ^ Uvскорость выделения тепла, Вт/м3- ип — нормальная скорость горения (ламинарная), м/с- 9 иттурбулентная скорость горения, м/сv.u.w — полные скорости, м/с;
Vmax ~ средняя скорость оттока продуктов от фронта горения, м/с--объем, м3- - результирующая скорость химической реакциих, у, z — координаты, ма — коэффициент избытка воздуха горючей (топливной) смеси;
Я — коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) — ju — молярная масса, кг/мольу — кинематический коэффициент вязкости, м/сvT — коэффициент турбулентного обмена, м /ср — плотность смеси, кг/м3;
Pi — распределенная (парциальная) плотность компонента, кг/м — Щ г-время, с;
X — соотношение компонентов топливной смеси;
ВМТ (НМТ) — верхняя (нижняя) мертвая точка перемещения поршня. ДВС — двигатель внутреннего сгорания.
ДКМ — детальный кинетический механизм реакций, в котором (в отличие от брутто-реакций) использованы только элементарные химические реакции. ДКМДДКМ догорания (52 реакции, 14 частиц). КС — камера сгорания. Л.
КТО — коэффициент турбулентного обмена, м /с.
Н-октан — нормальный октан, молекула которого имеет нормальное (не разветвленное) строение цепи атомов углерода. ГС — горючая смесь. ОГ — отработавшие газы двигателя, ф ТД — турбулентное догорание.
ОКМ — основной кинетический механизм реакций (266 реакций, 33 частицы).
ОК — основные компоненты (доля которых > 0,1%).
ПС — продукты сгорания.
СНХ — остаточные углеводороды.
GDI — Gasoline Direct Injection — ДВС с впрыском топлива в цилиндр (Mitsubishi Galant, 1996). т.
4.3 Выводы по главе.
Решение трехмерных задач ТД для разных режимов обоих двигателей позволяет сделать следующие выводы.
1 Рабочий режим двигателя GDI Mitsubishi ((n = 3000 об/мин, рмакс~ 60−105 Па).
1.1 Применение граничного условия 4-го рода (4.14) для расчета поля температур в турбулентной области камеры сгорания позволило эффективно, без увеличения машинного времени, учесть термическое сопротивление ламинарного подслоя в многомерной задаче турбулентного догорания.
1.2 Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры приводит, как показывают расчеты, к снижению ее среднего по объему значения на 100. 130 К и повышению остаточного содержания оксидов углерода СО и азота N0 в продуктах сгорания, соответственно, на 18 и 36%.
1.3 К концу горения вблизи стенок камеры сгорания формируется турбулентный температурный пограничный слой, с температурами 2200 — 2400 К. Низкие температуры слоя определяют меньшие скорости химических реакций, но из-за их неуравновешенности суммарные скорости образования большинства компонентов в несколько раз превышают скорости в объеме камеры сгорания.
Наибольшая концентрация окиси углерода сохраняется в верхней части камеры сгорания, где горела богатая топливная смесь. В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: со+он->со2+н, со+но2->со2+он, со+о->со2 и.
Н+СО—>НСО. В пограничном слое результирующие скорости первых двух реакций возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.
Максимальное содержание окиси азота наблюдается в зоне стехио-метрической горючей смеси. В области высоких температур все реакции N2+0->N0+N, N+02->N0+0, N+OH-«NO+H и N2+02->N0+N0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация NO уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота: N+N0-«N2+0, H+NO—ЮН+N. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции NO+NO—>N2+02.
1.4 В процессе расширения смеси уровень температур снижается и для всех компонентов результирующая скорость ведущих реакций максимальна в зоне высоких температур. В турбулентном пограничном слое, в отличие от периода горения (п. 1.3), значения результирующих скоростей реакций на порядок и более ниже (табл. 4.9), тем не менее суммарная скорость расходования каждого компонента (кроме NO) по абсолютной величине на порядок выше. Это определяет, в частности, интенсивное выгорание оксида углерода СО в пограничном слое. Заметное раскисление оксида азота NO наблюдается в зоне высоких температур, в течение периода, когда они превышают 2000 К. В пограничном холодном слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше.
1.5 Методом пробных решений получен оптимальный режим работы ДВС «Mitsubishi» при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,05, изменении, а в процессе выгорания неоднородной топливной 9 смеси от 0,95 до 1,11 и применении рециркуляции продуктов сгорания в объеме 20%. Остаточное мольное содержание компонентов в продуктах сгорания составляет: оксид углерода СО — 0,299%, оксид азота NO — 0,252%, кислород 02 — 0,288%. Показано, что основное изменение температуры и содержания СО, NO и 02 наблюдается в процессах горения и расширения. При выхлопе из цилиндра и выпуске через выпускную магистраль доля СО снижается на протяжении третьей части магистрали, пока температура смеси превышает 1000 К. При меньших температурах реакции с участием СО «замораживаются». Этот же эффект определяет постоянное содержание оксида азота NO в смеси при температурах менее 2200. .2500 К.
1.6 Расчеты при постоянных в полости камеры сгорания значениях коэффициентах избытка воздуха (однородное поле а) в диапазоне, а = 0,8. 1,2 для рециркуляции 20% показали удовлетворительное соответствие остаточного • содержания кислорода 02, оксида углерода СО и оксида азота NO (при, а <
1,05) экспериментальным данным, опубликованным в работе [40].
2 Рабочий режим двигателя двигателя ВАЗ-21 011 (п = 3000 об/мин, рМаКС= 47−105.
Па).
2.1 Наличие остаточных газов в количестве 10% приводит к уменьшению конечного содержания оксида азота NO на 45%, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли NO является уменьшение температуры горения (на 100 К), поскольку именно при максимальных температурах наблюдается быстрый рост содержания оксида азота. Для поля температур характерно наличие «плато» в интервале 2640−2750 К, которое в дальнейшем, по мере развития турбулентного догорания значительно уменьшается.
Для поля кислорода минимальное содержание 02 приходится на зону Ф богатой смеси в окрестности точки зажигания S. В этой же зоне наблюдается максимальное содержание оксида углерода СО. Доля оксида азота NO максимальна и интенсивно возрастает на «плато» высоких температур.
2.2 Во второй половине горения изменение формы фронта горения таково, что по результатам решения задачи газодинамики с помощью программы GAS-2 в горизонтальном сечении камеры сгорания рядом со струей оттока образуется вихревая зона. После окончания горения вихревое движение вырождается в общую циркуляцию продуктов сгорания. К концу расширения за счет циркуляции формируются зоны минимального и максимального содержания кислорода 02 и, соответственно, максимального и минимального содержания оксида углерода СО. Такое соответствие зон является устойчивым, поскольку недостаток кислорода способствует высокому содержанию СО, а избыток кислорода — интенсивному его выгоранию. Реакции с участи.
Ф ем оксида азота NO «замораживаются» уже к середине расширения, поэтому за счет перемешивания поле NO к концу расширения является более однородно-хаотичным и не несет четкого «отпечатка» кинетики высокотемпературных реакций, как в начале расширения.
3 Горячий холостой ход двигателя ВАЗ-21 011 (п = 800 об/мин, рмакс= Ю-105 Па) В этом режиме температура горения не превышает 2670 К. Наличие остаточных газов в горючей смеси в количестве у — 0,24 приводит к снижению средней температуры в КС для конца горения до 2070 К и уменьшению содержания оксида углерода СО в этот период в 1,5 раза. Догорание СО в выпускной магистрали на участке, где температура < 1000 К, практически отсутствует, что определяет снижение мольной доли СО в магистрали от 0,55 до 0,42% при у = 0, от 0,48 до 0,41% при у = 0,12 и от 0,44 до 0,41% при у = 0,24. Таким образом, остаточное содержание СО (0,41%) в выбрасываемых продуктах горения холостого хода не зависит от доли остаточных газов в горючей смеси. Этот же эффект определяет практически одинаковое остаточное содержание оксида углерода для холостого и рабочего хода (0,41 и 0,37%).
Ряд расчетных данных для режимов рабочего и горячего холостого хода двигателя ВАЗ-21 011 показанных на рисунке 4.16 удовлетворительно совпадает с экспериментальными результатами (см. [64]):
— измерениями температуры горения цветовым методом с помощью модернизированного спектрографа ИСП-73;
— измерениями содержания оксидов СО и NO в выхлопных газах промышленным инфракрасным газоанализатором ИКАФ-057.
заключение
.
В диссертации решена научная задача теоретического прогнозирования содержания оксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе современного многомерного математического описания, образованного на основе методов химической кинетики, и названного в диссертации турбулентным догоранием (ТД). В работе используются приемы математического анализа, методы решений уравнений математической физики, а также математическое моделирование на основе численных решений систем дифференциальных уравнений. Автору не известны аналогичные решения и публикации в отечественной литературе.
Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.
Тестирование двухмерной задачи турбулентного догорания (ТД) при горении и расширении в рабочем режиме двигателя GDI Mitsubishi ((n = 3000 об/мин, рМакс= 60−105 Па) привело к следующим результатам.
1. Разделение общей задачи ТД и предварительное решение задач: турбулентной газовой динамики (проф. Дунаев В.А.), образования горючей смеси в КС и движения фронта горения в неоднородных полях коэффициента избытка воздуха (доцент Чесноков С.А.) себя полностью оправдало. Известные поля скорости и коэффициента избытка воздуха использовались для моделирования собственно процесса ТД. Такой подход позволил создать эффективные математические модели и программное обеспечение, с помощью которых решение задачи ТД при использовании ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) требует не более 8 часов машинного времени. Альтернативным можно считать моделирование общего процесса ТД, проведенное Риглером У. (Германия, Штутгартский ун-т, 1999) при затратах машинного времени до 8 недель.
2. С использованием общего кинетического механизма (266 реакций для 33 частиц), созданного на базе детального кинетического механизма (ДКМ) Басевича В. Я., решена нульмерная задача химической кинетики (ХК). Температура горения и тепловыделение максимальны при коэффициенте избытка воздуха, а ~ 0,9, что соответствует известным экспериментальным данным. Состав продуктов сгорания на выходе фронта горения близок к равновесному, за исключением оксида азота NO (и 02). Применение метода переменного порядка точности Гира позволило уменьшить время решения задач нульмерной ХК на ПЭВМ в 105 раз, доведя его до нескольких секунд.
3. Разработана математическая модель процесса тепломассообмена при догорании продуктов оттока за фронтом горения и в процессе расширения смеси.
Выбор сокращенного ДКМ догорания (52 реакции для 14 частиц) является достаточно обоснованным — расширение схемы за счет неиспользованных реакций углеводородов ДКМ Басевича В. Я. не приводит к существенному изменению результатов. Изменение констант скоростей отдельных реакций в пределах, указанных различными литературными источниками, приводит к отклонениям концентраций основных компонентов ОГ не более, чем на 25%.
Увеличение констант скорости химических реакций при турбулентных пульсациях температуры приводит, как показывают расчеты, к снижению ее среднего по объему значения на 100.130 К и повышению остаточного содержания оксидов углерода СО и азота NO в ОГ, соответственно, на 18 и 36%.
4. На основе полученных данных и ДКМ догорания решены трехмерные задачи ТД для обоих двигателей при наличии остаточных газов. Состав смеси при догорании продуктов сгорания в течение такта расширениясущественно не равновесный.
1 Применение граничного условия 4-го рода (4.14) для расчета поля температур в турбулентной области камеры сгорания позволило эффективно, без увеличения машинного времени, учесть термическое сопротивление ламинарного подслоя в многомерной задаче химического тепломассообмена.
2 К концу горения вблизи стенок камеры сгорания формируется турбулентный температурный пограничный слой, с температурами 2200 — 2400 К. Низкие температуры слоя определяют меньшие скорости химических реакций, но из-за их неуравновешенности суммарные скорости образования большинства компонентов в несколько раз превышают скорости в объеме камеры сгорания.
Наибольшая концентрация окиси углерода сохраняется в верхней части камеры сгорания, где горела богатая топливная смесь. В основном поле камеры доля СО снижается во времени под влиянием ведущих реакций догорания: С0+0Н->С02+Н, С0+Н02->С02+0Н, С0+0->С02 и Н+СО-«НСО. В пограничном слое результирующие скорости первых двух реакций возрастают в несколько раз, в результате чего выгорание СО ускоряется.
Максимальное содержание окиси азота наблюдается в зоне стехиометрической горючей смеси. В области высоких температур все реакции N2+0->N0+N, N+02-«N0+0, N+OH-«NO+H и N2+02->N0+N0 интенсивно генерируют оксид азота. Вдали от фронта горения концентрация NO уменьшается под воздействием ведущих реакций раскисления азота: N+NO—>N2+0, H+NO—ЮН+N. Это уменьшение значительно усиливается в пограничном слое за счет реакции N0+N0-^N2+02.
4 В процессе расширения смеси уровень температур снижается и для всех компонентов результирующая скорость ведущих реакций максимальна в зоне высоких температур. В турбулентном пограничном слое, в отличие от периода горения, значения результирующих скоростей реакций на порядок и более ниже (табл. 4.9), тем не менее суммарная скорость расходования каждого компонента (кроме NO) по абсолютной величине на порядок выше. Это определяет, в частности, интенсивное выгорание оксида углерода СО в пограничном слое. Заметное раскисление оксида азота N0 наблюдается в зоне высоких температур, в течение периода, когда они превышают 2000 К. В пограничном холодном слое суммарная скорость реакций раскисления в десятки раз меньше.
4.5 Методом пробных решений получен оптимальный режим работы ДВС «Mitsubishi» при среднеобъемном значении коэффициента избытка воздуха аср = 1,05, изменении, а в процессе выгорания неоднородной топливной смеси от 0,95 до 1,11 и применении рециркуляции продуктов сгорания в объеме 20%. Остаточное мольное содержание компонентов в продуктах сгорания составляет: оксид углерода СО — 0,299%, оксид азота NO — 0,252%, кислород 02 — 0,288%. Показано, что основное изменение температуры и содержания СО и 02 наблюдается в процессах горения и расширения. При выхлопе из цилиндра и выпуске через выпускную магистраль доля СО снижается на протяжении третьей части магистрали, пока температура смеси превышает 1000 К. При меньших температурах реакции с участием СО «замораживаются». Этот же эффект определяет постоянное содержание оксида азота NO в смеси при температурах менее 2200. .2500 К.
Расчеты при постоянных в полости камеры сгорания значениях коэффициентах избытка воздуха (однородное поле а) в диапазоне1 а = 0,8. 1,2 для рециркуляции 20% показали удовлетворительное соответствие остаточного содержания кислорода 02, оксида углерода СО и оксида азота NO (при, а < 1,05) экспериментальным данным, опубликованным в работе [40].
Полные данные по содержанию СО и NO в ОГ (рис. 4.7) позволяют произвести для данного ДВС прогноз уровня токсичности ОГ по известным характеристикам поля коэффициента избытка воздуха, а в КС перед зажиганием: среднему в объеме КС коэффициенту избытка воздуха аср и неоднородности поля Да. Возможен и обратный подход — по заданной токсичности ОГ определить необходимые значения аср и Да, которые должна обеспечить система впрыска топлива. Неоднородность поля Да можно изменять, варьируя, например, продолжительность впрыска.
5. Рабочий режим двигателя ВАЗ-21 011 (п = 3000 об/мин, рмакс^ 47−105 Па).
5.1 Наличие остаточных газов в количестве 10% приводит к уменьшению конечного содержания оксида азота NO на 45%, а оксида углерода СО на 4%. Причиной сильного снижения доли NO является уменьшение температуры горения (на 100 К), поскольку именно при максимальных температурах наблюдается быстрый рост содержания оксида азота. Для поля температур характерно наличие «плато» в интервале 2640−2750 К, которое в дальнейшем, по мере развития турбулентного тепломассообмена значительно уменьшается.
5.2 Во второй половине горения изменение формы фронта горения таково, что по результатам решения задачи газодинамики с помощью программы GAS-2 в горизонтальном сечении камеры сгорания рядом со струей оттока образуется вихревая зона. После окончания горения вихревое движение вырождается в общую циркуляцию продуктов сгорания. К концу расширения за счет циркуляции формируются зоны минимального и максимального содержания кислорода 02 и, соответственно, максимального и минимального содержания оксида углерода СО. Такое соответствие зон является устойчивым, поскольку недостаток кислорода способствует высокому содержанию СО, а избыток кислорода — интенсивному его выгоранию. Реакции с участием оксида азота N0 «замораживаются» уже к середине расширения, поэтому за счет перемешивания поле N0 к концу расширения является более однородно-хаотичным и не несет четкого «отпечатка» кинетики высокотемпературных реакций, как в начале расширения.
6. Горячий холостой ход двигателя ВАЗ-21 011 (п = 800 об/мин, рмакс= Ю-105 Па).
В этом режиме температура горения не превышает 2670 К. Наличие остаточных газов в горючей смеси в количестве у = 0,24 приводит к снижению средней температуры в КС для конца горения до 2070 К и уменьшению содержания оксида углерода СО в этот период в 1,5 раза. Догорание СО в выпускной магистрали на участке, где температура < 1000 К, практически отсутствует, что определяет снижение мольной доли СО в магистрали от 0,55 до 0,42% при у = 0, от 0,48 до 0,41% при у = 0,12 и от 0,44 до 0,41% при у = 0,24. Таким образом, остаточное содержание СО (0,41%) в выбрасываемых продуктах горения холостого хода не зависит от доли остаточных газов в горючей смеси. Этот же эффект определяет практически одинаковое остаточное содержание оксида углерода для холостого и рабочего хода (0,41 и 0,37%).
Ряд расчетных данных для режимов рабочего и горячего холостого хода двигателя ВАЗ-21 011 удовлетворительно совпадает с экспериментальными результатами (см. [64]):
— измерениями температуры горения цветовым методом с помощью модернизированного спектрографа ИСП-73;
— измерениями содержания оксидов СО и NO в выхлопных газах промышленным инфракрасным газоанализатором ИКАФ-057.
Таким образом, полученные в диссертации результаты позволяют повысить экологическую чистоту рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.
