Снижение содержания оксида азота на основе неравновесных расчетов горения при дизельном впрыске топлива в ДВС с искровым зажиганием

• Автор: Тишин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 142 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

1.1 Турбулентность при горении

1.2 Химическая кинетика горения

1.3 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ТУРБУЛЕНТНЫЙ МАССООБМЕН ПРИ ВПРЫСКЕ

2.1 Ламинарные и турбулентные характеристики переноса

2.2 Тестирование моделей турбулентности

2.3 к-а модель турбулентности
2.4 Общее описание процесса турбулентного массообмена при впрыске
2.4.1 Уравнения движения и неразрывности потока частиц
2.4.2 Уравнение движения воздуха внутри факела распыла
2.4.3 Уравнение неразрывности паров бензина
2.4.4. Допущения и описание процесса впрыска
2.5 Впрыск, поля скорости, турбулентности и коэффициента избытка воздуха до зажигания
2.5.1 Поля скорости и турбулентности
2.5.2 Поля коэффициента избытка воздуха
2.6 Выводы по главе
ГЛАВА 3 ТУРБУЛЕНТНЫЙ МАССООБМЕН ПРИ ГОРЕНИИ
3.1 Зажигание и движение фронта горения в сильно неоднородной горючей смеси
3.1.1 Начальный период горения
3.1.2 Основной период горения
3.2 Поля скорости и турбулентности после зажигания в зоне догорания
3.3 Турбулентная кинетика
3.4 Выводы по главе
ГЛАВА 4 ХИМИЧЕСКИЙ ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ДОГОРАНИИ
4.1 Подготовка исходных данных
4.1.1 Начальные данные
4.1.2 Расчет равновесного состава и теплоемкости продуктов сгорания
4.1.3 Одномерная химическая кинетика во фронте горения
4.1.4 Химическая кинетика догорания продуктов за фронтом и в течение такта расширения
4.2 Общий вид уравнений ХТТ. Граничные и начальные условия
4.3 Допущения и математическое описание задачи ХТТ для дизельного впрыска
4.4 Теоретические результаты и их анализ
4.5 Общие графические зависимости задачи ХТТ
4.6 Выводы по главе
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ДВС
5.1 Измерение турбулентной скорости горения с помощью спектрометрии ДВС
5.1.1 Спектрограф ИСП-30. Модернизация и градуировка
5.2 Измерение содержания оксида азота в отработавших газах ДВС при помощи газоанализатора Автотест 02.03 П1
5.3 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Условные обозначения А - предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; сР, су-удельные теплоемкости, изобарная и изохорная, Дж/(кгК);
D - коэффициент диффузии, м2/с;
Е - энергия активации в уравнении Аррениуса, Дж/моль;
F- площадь, м2; g - массовая доля компонента;
Н- тепловой эффект реакции, Дж/моль;
к - кинетическая энергия турбулентности, м2/с2; - постоянная Больцмана, Дж/К; - константа скорости реакции, моль, м3, с;
Af— масса, кг;
Np— кратность коэффициента турбулентного обмена;

а - концентрация, м ; - нормаль, м; - число оборотов коленвала, об/мин, р - давление, Па;
Q — выделение тепла при горении, Дж/кг;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); — степень рециркуляции отработавших газов, %; г - мольная (объемная) доля компонента;
б’ - скорость реакции по z'-му компоненту, 1/с; - энтропия, Дж/(моль'К);
Тс - температура горения, К;
U - удельная внутренняя энергия, Дж/кг; и, w. v- проекции скорости, м/с;
Up — скорость выделения тепла, Вт/м3;
и„ - нормальная (ламинарная) скорость горения, м/с;
Uj— турбулентная скорость горения, м/с; u,w,v - полные скорости, м/с;
Vor— скорость оттока продуктов от фронта горения, м/с;
W — средняя пульсационная скорость, м/с;
V - объем, mj;
х, у, z - координаты, м;
а - коэффициент избытка воздуха горючей (топливной) смеси; ар— коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);
Да - неоднородность поля а в камере сгорания; Да = атах - атш ; у - угловая координата, рад;
<5- толщина, м;
£ — скорость диссипации энергии турбулентности, м2/с3; — степень сжатия;
11 — динамический коэффициент вязкости, Па с;
Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м'К); р - молярная масса, кг/моль; г-кинематический коэффициент вязкости, м2/с;
Ут— коэффициент турбулентного обмена — турбулентный коэффициент вязкости (диффузии и температуропроводности), м2/с;
р- плотность смеси, кг/м3;
т- время, с;
(р — угол поворота коленвала ДВС,0 нкв;
X — соотношение компонентов топливной смеси;
Нижние индексы
/ - номер компонента; у - номер реакции; Р - фронт горения; лам -ламинарное; Г - турбулентное; н - начальное; - граница поля решения; О - поверхность; см — смесь.
Верхние индексы р - прямая реакция; о — обратная реакция.
Сокращения ВМТ - верхняя мертвая точка;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ДКМ - детальный кинетический механизм реакций;
КС - камера сгорания;
КТО - коэффициент турбулентного обмена, м2/с;
ОГ - отработавшие газы;
ХТТ — химический турбулентный тепломассообмен;
СБ1 - двигатель с непосредственным впрыском топлива.
Остальные обозначения, кроме общепринятых в научно-технической литературе, оговорены в тексте диссертации.

Авторы отмечают, что линейные и разветвленные алканы составляют значительную долю в различных видах топлив. Во многих практических инженерных вопросах, таких как выброс несгоревших углеводородов, необходим достаточно высокий уровень понимания химических процессов окисления и пиролиза этих составляющих. Достаточно подробные модели предполагают слишком большое количество компонентов для использования в комплексном моделировании.
Данная работа основывается на полуэмпиричсском механизме Ю. Варнатца [32], содержащего 32 компонента и 96 реакций, который вполне успешно воспроизводит скорости ламинарного пламени предварительно подготовленной смеси н-гептан /воздух. Этот механизм подготовил почву для многочисленных исследований постоянного противоточного диффузионного пламени [24], а также для упрощенных механизмов, применяемых при расчетах асимптотического сгорания капель [33, 34]. Механизм Ю. Варнатца [32] позволил вполне успешно прогнозировать скорости ламинарного пламени предварительно подготовленной смеси, но для расчета содержания компонентов в течение процесса механизм нуждается в расширении.
Предлагаемый в данной работе механизм позволил успешно оценить как скорость ламинарного пламени (рисунок 1.9) так и получить расчетные данные содержания компонентов, которые соответствуют экспериментам, проведенным на ударных трубах, в реакторе с принудительным перемешиванием и поточном реакторе (рисунок 1.10).