Снижение токсичности отработавших газов на основе неравновесных расчетов горения при стехиометрическом впрыске топлива в цилиндры ДВС

Существенную роль в загрязнении окружающей среды играют двигатели внутреннего сгорания, которые благодаря своим технико-экономическим показателям еще долго будут оставаться основными силовыми агрегатами для автомобильного транспорта. Поэтому работы по улучшению их экологических характеристик являются актуальными.

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

Для обеспечения высокого уровня организации рабочего процесса необходимо разрабатывать системы смесеобразования, позволяющие получать в камере сгорания (КС) наиболее выгодные неоднородные поля КИВ, а перед зажиганием. Эти поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи зажигания, низкую токсичность отработавших газов (ОГ), отсутствие детонации к концу горения и малый общий расход топлива. Для подбора полей, а нужно использовать более совершенное математическое описание их образования и горения в них на уровне задач тепломассобмена.

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

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

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

В настоящее время в печати появились достаточно полные (двухстадийные) механизмы горения топлив. Их применение позволяет снизить начальную (пусковую) температуру для модели химической кинетики и уточнить результаты, избежав, например, искусственных поправок теплоемкости в первых версиях задачи ХТТ [1].

Объектом исследования является ДВС с непосредственным впрыском топлива в цилиндры двигателя Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI — далее GDI.

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

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

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

— двухстадийный режим смесеобразования (впрыск топлива происходит дважды — во время тактов впуска и сжатия). Он позволяет повысить момент двигателя, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает на педаль акселератора.

Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще возрастает. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом он заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива до «богатого» 12:1.

В работе рассматривается стехиометрический впрыск топлива в цилиндры ДВС, обеспечивающий мощностной режим работы двигателя GDI.

Предметом исследования является процесс горения топлива, сопровождающийся образованием монооксидов углерода и азота.

Целью работы является снижение токсичности отработавших газов в режиме стехиометрического впрыска топлива на основе полного (двухстадийного) кинетического механизма горения.

Научная задача работы состоит в развитии и уточнении метода ХТТ, позволяющего разрабатывать эффективные модели горения и применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Цель и задача работы определили необходимость решения следующих промежуточных задач:

1) произвести многовариантные расчеты задачи впрыска и испарения топлива по известным турбулентным полям скорости и коэффициенту турбулентного обменаобобщить результаты в виде зависимости неоднородности поля КИВ перед зажиганием от параметров впрыска;

2) выбрать по литературным данным двухстадийный механизм горения модельного топлива, позволяющий уточнить описание процесса ХТТобработать и сократить механизм для условий ДВС с целью уменьшения времени расчетов на ЭВМ;

3) рассчитать температуру горения и конечный состав продуктов сгорания (включая оксид N0) для различных локальных значений коэффициента избытка воздуха в КС;

4) решить основную уточненную задачу ХТТ в зоне догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения при различной степени рециркуляции ОГобобщить полученные результаты в виде графических зависимостей, позволяющих определить содержание оксидов азота и углерода в ОГ по параметрам впрыскапроизвести оценку изменений среднего индикаторного давления ДВС при варьировании этих параметр амов;

5) сравнить расчетные данные с результатами экспериментов по измерению температуры горения и содержанию оксидов углерода и азота в ОГ.

Задачи 1, 3 и 5 решались с помощью известных программ и методик, разработанных С. А. Чесноковым [1].

Методы исследования базируются:

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

— экспериментальные: на применении спектрометрии при измерениях температуры и турбулентной скорости горения, а также серийных датчиков при замерах содержания оксидов углерода и азота в ОГ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

— предложена новая версия метода ХТТ, отличающаяся от известной [1] применением расширенной кинетической модели горения, что позволило уточнить содержание оксидов углерода и азота в ОГ ДВС;

— теоретически исследована и установлена закономерность изменения токсичности ОГ за счет варьирования неоднородностью поля коэффициента избытка воздуха в КС и степенью рециркуляции ОГ.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

— по предложенной методике произвести прогноз уровня токсичности ОГ на основании итоговых графических зависимостей без выполнения сложных расчетов;

— оценить среднее индикаторное давление в ДВС для сохранения энергетических характеристик двигателя на достаточно высоком уровне.

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

5.5 Выводы по главе.

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

1. При помощи охлаждаемого тензометрического датчика давления, разработанного на основе типовой свечи зажигания, провести измерение давления в цилиндре двигателя;

2. На основе спектрометрических измерений оценить температуры горения и расширения в двигателе, а также определить продолжительность и турбулентную скорость горения;

3. При использовании промышленного инфракрасного фильтрового газоанализатора ИКАФ-057 определить содержание оксидов СО и NO в отработавших газах для рабочего режима двигателя ВАЗ-21 011: rNo= 0,21 ± 0,05%, гсо= 0,30 ± 0,05%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации для стехиометрического впрыска топлива в двигателе Mitsubishi 4G93-DOHC-GDI теоретически исследована динамика снижения токсичности отработавших газов за счет изменений неоднородности поля коэффициента избытка воздуха в КС и степени рециркуляции ОГ.

Для этого потребовалось развитие и уточнение метода химического турбулентного тепломассообмена [1], что позволило на основе полного (двухстадийного) кинетического механизма горения топлива разработать эффективные модели горения и применить их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС.

Результаты решения перечисленных ранее промежуточных задач позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ многовариантных расчетов задачи впрыска и испарения топлива показал, что основное влияние на неоднородность поля коэффициента избытка воздуха (КИВ) перед зажиганием оказывают скорость и продолжительность впрыска. Это позволило обобщить результаты в виде итоговой графической зависимости неоднородности поля КИВ Да перед зажиганием от параметров впрыска. При сильном 100 м/с) и коротком.

2 мс) впрыске неоднородность Да = атах — ат-п «0,4, т. е. при аср = 1.

C^max ~ 1,2, C^min ^ 0,8.

2. По известным литературным данным в качестве базового выбран двухстадийный механизм горения Т. Хелда для модельного топлива н-гептан, заменяющего бензин. С целью уменьшения времени расчетов на ЭВМ (на 1−2 порядка) механизм, насчитывающий 443 реакции с участием 44 компонентов, был уравновешен и сокращен для условий горения в ДВС до 257 реакций и для зоны догорания за фронтом пламени — до 31 обратимой реакции (15 компонентов). Тестовые расчеты в рамках нульмерной кинетики показали удовлетворительное совпадение с известными экспериментальными данными.

3. Температура горения и конечный состав продуктов сгорания были рассчитаны в рамках нульмерной химической кинетики для различных значений КИВ в КС. Применение механизма Хелда Т. позволило уточнить состав продуктов сгорания на 20 — 35% по основным компонентам смеси по сравнению с данными [1]. При этом начальная (стартовая) температура задачи нульмерной кинетики снизилась с 1200 К [1] до 960 К, что гораздо ближе к реальной температуре в конце сжатия горючей смеси. Конечный состав продуктов сгорания при температуре горения является равновесным (кроме N0) в широком диапазоне КИВ: а = 0,5.3.

4. Решение уточненной задачи химического турбулентного тепломассообмена в зоне догорания позволило получить нестационарные трехмерные поля температуры и поля содержания компонентов смеси в КС и полости цилиндра. По результатам многовариантных расчетов при различных Да и аср = 0,9. 1,1 построены итоговые графические зависимости, позволяющие определить содержание оксидов СО и NO в ОГ без применения трудоемких расчетов на ЭВМ. Необходимое для этого значение Да определяется по итоговой графической зависимости впрыска (п. 1), а величина аср-по цикловой массе топлива.

Показано, что с учетом остаточных газов долю оксида азота в ОГ можно уменьшить с 0,25% (при аср = 1 и Да = 0) до 0,1% (при аср = 1 и Да = 0,4), при этом, соответственно, доля оксида углерода возрастет с 0,15% до 0,4%. Учитывая, что токсичность NO примерно в 40 раз превышает токсичность СО, выбор достаточно рельефного поля КИВ при неоднородности Да = 0,4 представляется оправданным.

Применение рециркуляции ОГ в пределах до 20% снижает содержание СО в 2−3 раза и NO на порядок, что в сочетании с влиянием неоднородности поля КИВ приближает уровень оксидов в ОГ к требованиям ЕВРО-4.

Для проверки уровня общей энергетики двигателя построена контрольная диаграмма для среднего индикаторного давления в зависимости от аср и Да. Полученные с ее помощью данные необходимо учитывать при варьировании параметров впрыска и прогнозах токсичности ОГ.

5. Данные расчетов процесса ХТТ в двигателе ВАЗ-21 011, для которого также характерно горение стехиометрической смеси, удовлетворительно соответствуют результатам экспериментов по измерению максимальной температуры в КС и содержанию оксидов СО и NO в ОГ. Температура продуктов сгорания измерялась методом цветовой спектрометрии, ее значение Т=2610 + 210 К соответствует данным расчета Т=2420 К. Завышение спектральных температур в КС обусловлено, как известно, сильным излучением горячего фронта горения.

Содержание оксидов углерода и азота в ОГ, измеренное серийным датчиком, составило Гсо = 0,30 ± 0,05%- Гцо = 0,21 ± 0,05%. По расчетным данным гСо = 0,34%- rN0 = 0,24%. Соответствие данных достаточно удовлетворительное.

Таким образом, в диссертации создана и апробирована уточненная версия метода химического турбулентного тепломассообмена, позволяющая прогнозировать уровень содержания оксидов СО и NO в ОГ двигателя типа GDI с целью повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС. Это создает предпосылки для создания конкурентоспособных двигателей с улучшенными показателями качества.