Снижение содержания оксида азота в поршневом двигателе при расчетах газодинамики и тепломассообмена в процессах горения для различного расположения газовой форсунки

• Автор: Ле Дай Лам
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 111 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ
1.1. Общие сведения
1.2. Качества природного газа как моторного топлива
1.3. Топливно-экономические показатели двигателей
1.4. Экологические характеристики
Выводы но разделу
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ГОРЕНИЯ ВО ФРОНТЕ ПЛАМЕНИ
2.1. Предварительные данные и методики
2.1.1. Основы химической кинетики горения
2.1.2. Горение углеводородов
2.1.3. Подготовка исходных данных химической кинетики
2.1.4. Тестирование механизма горения метана
2.2. Одномерная химическая кинетика горения
Выводы по разделу
3. ДОГОРАНИЕ ЗА ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ. ХИМИЧЕСКИЙ ТУРБУЛЕНТНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН
3.1. Химическая кинетика догорания
3.2. Движение фронта горения в неоднородной горючей смеси
3.3. Химический турбулентный тепломассообмен
3.3.1. Общий вид уравнений ХТТ. Граничные и начальное условия
3.3.2. Допущения и математическое описание задачи ХТТ
3.4. Подтверждения модели химического турбулентного тепломассообмена
3.4.1. Данные спектрометрии ДВС
3.4.2. Тестовые расчеты методом ХТТ в случае однородных полей коэффициента избытка воздуха в камере сгорания
3.4.3. Результаты расчетов и измерений температур, а также содержания токсичных оксидов в отработавших газах
Выводы по разделу
4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
4.1. Расчеты полей скорости при впрыске и смесеобразовании
4.2. Расчеты полей скорости при догорании и расширении
4.3. Расчеты трехмерных полей температуры и содержания компонентов продуктов горения методом ХТТ
4.3.1. Окончание горения
4.3.2. Активный период расширения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность и исходные предпосылки
Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) уже длительное время остается проблемой номер один в современном двигателестроении. Непрерывное ужесточение норм токсичности за рубежом и развитие автомобильного рынка требует кардинально новых подходов в методике расчета горения в ДВС.
Используемое обычно математическое описание рабочего процесса и горения в ДВС основано на законах термодинамики и предполагает наличие в камере сгорания однородных, или, в случае многозонных моделей, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха а и, тем самым, состава продуктов сгорания. В то же время, как показывают теоретические и экспериментальные данные, заранее рассчитанные (и реально существующие) неоднородности поля а перед зажиганием могут существенно снизить долю оксида азота, обеспечить надежное воспламенение и отсутствие детонации, а также малый расход топлива.
При расчетах газодинамики в цилиндре двигателя использована интерактивная программа ОА82 проф. Дунаева В.А., позволяющая на основе уравнений Навье-Стокса и к-е модели турбулентности получить результаты для двухкомпонентной (метан+воздух) горючей смеси. Полученные предварительно двухмерные поля скорости при всасывании, впрыске, смесеобразовании, а также, для химически нереагирующей смеси, в области догорания за фронтом пламени и в течение такта расширения позволяют значительно сократить общее машинное время.
Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС (ХТТ), опубликованный, как метод расчета горения, проф. С.А. Чесноковым в одноименных монографиях 2005/09 г., позволяет получить трехмерные поля температуры и неравновесного содержания компонентов продуктов сгорания (в т.ч. токсичного оксида азота N0).
Отметим, что для метода ХТТ характерно полиструктурное описание процесса горения. В основе метода лежат дифференциальные уравнения тепломассообмена многокомпонентной смеси продуктов сгорания. Источники теплоты и массы компонентов определяются уравнениями химической кинетики горения.
Применение метода ХТТ делает возможным оптимальную организацию впрыска топлива, подбор геометрии камеры сгорания, выбор наиболее эффективных режимов работы двигателя, снижение токсичности выхлопа и т.д.
Работы по развитию аналогичных методов ведут: Принстонский университет США (Dryer, F.L.; Held, Т. J.; Marchese, A. J), Токийский государственный университет (Shoji, H.; Saima, A.), Штутгартский университет в Германии (Wamatz, J.; Riegler, U.G.), а также кафедра Поршневые двигатели МГТУ им. Н.Э. Баумана (H.A. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе) и др.
Известны также работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников
A.JI. Абдуллина, A.B. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгорания; работы В.А. Звонова, В.А. Маркова, H.H. Патрахальцева, JI.B. Грехова, а также Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина, М.Ю. Свердлова, С.В. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения и горения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС.
Очевидно, что для такого сложного комплекса процессов, каким является горение в ДВС, совершенно естественна “перманентная”, многоэтапная постановка задачи - в длительном процессе применения и совершенствования полиструктурной модели, что совершенно справедливо было отмечено
B.А. Лашко и Д.В. Тимошенко.
Объективно высокая сложность задач ХТТ при описании горения в ДВС оказывается вполне преодолимой за счет гармонически развитой структуры принятых допущений.

метановоздушной смеси. Сравнение с экспериментом показало удовлетворительное совпадение.
В приложении, табл. П.1, где приведены реакции горения метана ДКМ В.Я. Басевича, их параметры соответствуют выражению для константы скорости реакций к — АТп ехр{—Е/ЛТ).
2.1.3. Подготовка исходных данных химической кинетики
Общие данные
Определим для метана числа молей углерода С'с и водорода С'н, содержащиеся в 1 кг топлива. Из формулы метана СН4 следует, что на 1 моль углерода приходится 4 моля водорода, т.е. на С'с молей углерода (молярная масса рс = 0,012011 кг/моль) - 4-С'с моля водорода (рн = 0,00100794 кг/моль). Поэтому 1 кг СН4 = С'сРс + 4-С'с-рн, откуда:
С'с = 62,332 моль/кг гор;
С'н = 4-С'с = 249,33 моль/кг гор. (2.11)
Итоговое уравнение окисления метана имеет следующий вид:
СН4 + 202 = С02 + 2Н20. (2.12)
Коэффициенты уравнения представляют собой числа молей реагирующих компонентов. Определим массу воздуха, содержащего 2 моля 02 (молярная масса 0,03199 кг/моль). Масса кислорода, участвующего в реакции, равна 2-0,0320=0,0640 кг 02. Известно, что в 1 кг сухого воздуха содержится 0,23 кг кислорода [20], тогда 0,064 кг 02 содержится в 0,0640 / 0,23 = 0,27826 кг воздуха. Разделив эту массу на массу метана СН4 (рсн4 = 0,016043 кг/моль), равную 0,016043 кг СН4, получим стехиометрическое соотношение компонентов
Хо= 17,345,
Что, например, достаточно близко к значению Хо = 15,4 для бензовоздушной смеси. Пренебрегая содержанием аргона в воздухе (<1,3 %) массу азота можно определить как 0,2782-0,064=0.21426 кг 142 (0,028013 кг/моль) или как