Образование оксидов углерода и азота при горении и догорании в двигателе внутреннего сгорания

• Автор: Демидов, Максим Игоревич
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературных данных
1.1 Горение водорода
1.2 Горение легких углеводородов
1.3 Горение тяжелых углеводородов
1.4 Образование оксида азота
1.5 Анализ литературных данных
Глава 2. Нульмерная химическая кинетика горения
2.1 Химико-физические характеристики н-октана
2.1.1 Исходные характеристики
2.1.2 Реакция распада н-октана
Ф 2.1.3 Система уравнений химической кинетики
2.1.4 Термодинамический расчет химического равновесия
2.1.5 Теплоемкость продуктов сгорания
2.2 Обобщение кинетического механизма
2.3 Тестирование нульмерной кинетики горения
2.4 Сокращение механизма кинетики догорания
2.5 Выводы по главе
Глава 3. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи
3.1 Общая постановка задачи
3.2 Исходные данные для решения задачи
турбулентного догорания
% 3.2.1 Вязкость смеси
3.2.2 Теплопроводность смеси
3.2.3 Диффузия компонентов смеси
3.2.4 Турбулентные характеристики переноса
3.2.5 Расчет полей скорости и коэффициента турбулентного обмена в цилиндре с помощью известных программ
3.3 Задача турбулентного догорания
3.3.1 Реакции догорания компонентов продуктов сгорания при турбулентных пульсациях температуры в ДВС
3.3.2 Граничные и начальные условия задачи турбулентного догорания
3.3.3 Общий вид уравнений турбулентного догорания
3.3.4 Допущения задачи турбулентного догорания
3.3.5 Развернутое математическое описание задачи
3.4 Тестирование двухмерных задач турбулентного догорания

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Турбулентное догорание при горении и расширении в ДВС. Трехмерные задачи и анализ
4.1 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе в двигателе ОБ1 "МйвиЫзЫ"
4.1.1 Догорание при горении и расширении
4.1.2 Догорание при выхлопе и выпуске продуктов сгорания
4.1.3 Результаты и их анализ
4.2 Турбулентное догорание при горении, расширении и выхлопе продуктов сгорания в двигателе В АЗ-21011
4.2.1 Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 (п=3000 об/мин)
4.2.2 Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011
4.3 Выводы по главе
♦ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников

ф 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
H.A. и др.; Звонова В.А.; Горбунова В.В. и Патрахальцева H.H.; 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 С02 в течение 2-40 месяцев. Из оксидов азота, содержащихся в ОГ, 99 % объема приходится на монооксид NO. В атмосфере он окисляется до менее токсичного N02 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%; г^о = 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, ступенчатооднородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха и, тем самым, 0 концентрации компонентов смеси в камере сгорания (КС). Такая идеализация
процесса суживает диапазон возможностей для снижения токсичности ОГ.

расчете (Р) для температуры горения Т0. Различия этих данных не превышают 10-12 %, за исключением доли 02 при а = 0,6.
Таблица 2.6 - Температура горения, выделение тепла и продолжительность химических реакций, а также мольные доли основных компонентов при различном избытке воздуха по данньм нульмерной кинетики (К) и равновесных (Р) расчетов в конце горения (р = 4 МПа)
а То, К кДж/кг *х, мкс Вид рас- чета Н2 Н20 СО С02 02 ОН
0,6 2667 2205 2,5 К 0,8Ш-01 0,123 0,14 0,0328 0,680-04 0,770
Р 0,730-01 0,123 0,14 0,0354 0,110-04 0,840
0,8 2871 2498 4 К 0,220-01 0,142 0,780-01 0,0698 0,860-03 0,440
Р 0,190-01 0,140 0,7Ю-01 0,0733 0,1 Ю-02 0,470
0,9 2898 2640 5 К 0,990-02 0,138 0,460-01 0,0884 0,470-02 0,7 Ю
Р 0,950-02 0,135 0,450-01 0,0876 0,490-02 0,7 Ю
1,0 2864 2576 6 К 0,480-02 0,129 0,260-01 0,0970 0,130-01 0,830
Р 0,500-02 0,127 0,270-01 0,0948 0,120-01 0,800
1,2 2667 2264 6 к 0,120-02 0,114 0,690-02 0,0977 0,360-01 0,6 т
р 0,120-02 0,112 0,710-02 0,0966 0,320-01 0,590
1,5 2440 1881 5 к 0,250-03 0,094 0,140-02 0,0834 0,680-01 0,330
р 0,260-03 0,093 0,140-02 0,0830 0,630-01 0,330
Конечная доля оксида азота N0 не приводится, поскольку в течение горения (~10 мкс) его содержание мало и только-только начинает возрастать, являясь существенно неравновесным. В таблице 2.7 приведены аналогичные, кинетические и равновесные, данные для более высокого давления 6 МПа, которые для основных компонентов смеси отличаются незначительно.
В монографии [64] опубликованы данные по спектральным измерениям в камере сгорания двигателя ВАЗ-21011 в режиме горячего холостого хода при различном избытке воздуха за счет регулировки карбюратора (п = 800 об/мин; ршах= 0,7 МПа). Эти результаты (рисунок 8.25) нанесены на рисунок 2.4 в виде точек, характеризующих относительную интенсивность (наибольшая принята ♦ за 1) излучения полос возбужденных радикалов СН* и ОН* в
ультрафиолетовой части спектра.