Modeling of nitrogen oxides emission in the cylinder of tractor gas-diesel engine

Full Text

Введение Оксиды азота NOx, и особенно диоксид азота NO2, - одни из главных составляющих загрязнения атмосферного воздуха городов. В основном NOx образуются в процессе горения углеводородного топлива при высоких температурах (выше 1000°С) и затем в атмосфере трансформируются в NO2. При сгорании метановоздушной смеси в цилиндре газодизеля в результате термического и окислительного пиролиза молекул углеводородов жидкого топлива и метана образуются активные центры цепных реакций - атомы и радикалы, локальная концентрация которых значительна [1]. В то же время имеются доказательства, что на образование оксидов азота в цилиндре газодизеля существенное влияние оказывает не только тепловой режим, но и локальная концентрация активных центров. Кроме того, процесс образования NOх зависит от скорости расходования в зоне реакции активных частиц и кислорода и конкуренции этих процессов между собой. Взаимодействие образующихся в результате пиролиза топлива атомов и радикалов с азотом, содержащимся в метановоздушной смеси, приводит в итоге к образованию NOх. Скорость подобных превращений зависит от ряда факторов: концентрации азота в зоне реакции, скорости сгорания топливовоздушной смеси, скорости конкурирующих реакций активных центров и кислорода [2]. Цель исследования Горение в цилиндре газодизеля метановоздушной смеси, воспламененной распыленным запальным дизельным топливом (ДТ), впрыснутым через многоструйную форсунку, увеличивает масштаб турбулентных пульсаций, что приводит к интенсификации тепломассообмена в факеле и значительно увеличивает скорость образования и разложения NOх. Поэтому, опираясь на результаты моделирования кинетических систем для расчета кинетики образования оксидов азота при горении компримированного природного газа (КПГ) и ДТ, суммируя известные данные о протекании элементарных реакций при сгорании метана и выделяя из них наиболее весомые, а также учитывая влияние применения турбонаддува, промежуточного охлаждения наддувочного воздуха (ПОНВ) и рециркуляции отработавших газов (РОГ), необходимо провести расчет ожидаемых выбросов оксидов азота и предусмотреть меры по их снижению до величин, наиболее близких к минимальным значениям [3]. Материалы и методы В Вятской ГСХА на кафедре тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по переводу тракторных дизелей 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5 на КПГ [4, 5]. Разработаны теории процесса образования оксидов азота в цилиндрах газодизелей, в т.ч. с РОГ, наддувом и ПОНВ. При математическом моделировании образования оксида азота в цилиндре газодизеля процесс сгорания условно разделен на две зоны: свежей смеси и продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь воздуха с рециркулируемыми (если расчет ведется при РОГ) и остаточными газами. Перед началом сгорания эта зона занимает весь объем цилиндра. В ходе сгорания происходит увеличение объема зоны продуктов сгорания. Для определения давления и средней по объему цилиндра температуры рабочего тела в различные моменты процесса сгорания применено допущение о мгновенном перемешивании продуктов сгорания и свежей смеси. Расчет производится последовательно для каждого шага . При этом задача сводится к определению параметров в конце участка (индекс 2), так как в начале участка (индекс 1) эти параметры известны и равны соответствующим значениям в конце предыдущего шага расчета [6]. Результаты и их обсуждение Согласно химизму процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля [7], основной вклад в образование NO вносят следующие реакции: ; ; ; ; ; ; (1) ; ; ; . Исходное уравнение скорости образования оксида азота в цилиндре газодизеля: (2) где ki - константа скорости i-й реакции, 1/с; ri - объемное содержание i-го компонента. Уравнения для изменения объемного содержания атомарного азота и кислорода во времени: (3) Приложив принцип стационарных содержаний к атомарным газам N и O, приравняем к нулю выражения и . Решив эту алгебраическую систему уравнений, выразим объемные содержания и : (4) где А, В, С - коэффициенты уравнения вида для определения объемного содержания атомарного азота, 1/с2. ; ; . Подставив значения объемных содержаний и с учетом коэффициентов А, В, С в уравнение скорости образования оксида азота (2), получим: (5) Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева в виде: , (6) где - число молей i-го компонента, кмоль; - парциальный объем i-го компонента в конце расчетного участка, м3; р2 - давление в конце расчетного участка, МПа; Т2 - температура в конце расчетного участка, К; R - универсальная газовая постоянная. Выразив скорость образования NO на примере реакции с учетом (6), получим: , (7) где - константа скорости реакции, м3/(кмоль∙с). Из выражения (6) имеем: ; . (8) Подставив выражения и в уравнение (7), получим: , (9) где - константа скорости i-й реакции, м3/(кмоль·с). Принимая во внимание, что , с учетом выражения (9) уравнение скорости образования NO в цилиндре газодизеля примет вид: , (10) где коэффициенты А/, В/, С/ определяются следующими уравнениями. ; ; . Подставив значения коэффициентов А/, В/, С/ в уравнение (10), после преобразований получим: , (11) где Сi - постоянная величина для данного шага расчета. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; . Интегрируя по частям при начальном условии уравнение (11), получим содержание оксида азота в конце участка расчета: (12) где - изменение угла поворота кривошипа на участке расчета. Решив уравнение (12) относительно , получим объемное содержание оксида азота в конце участка расчета. Изменение доли оксида азота в продуктах сгорания, образовавшихся ранее: . (13) На основании предложенных моделей проведены теоретические расчеты объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота в цилиндрах газодизелей 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5 [8, 9]. На рис. 1 представлены результаты теоретических расчетов изменения объемного содержания rNOх и массовой концентрации СNOх оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с турбонаддувом при работе на ДТ и КПГ в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ПКВ) после верхней мертвой точки для номинальной частоты вращения n=2400 мин-1 и ре=0,84 МПа при установочном угле опережения впрыскивания топлива (УОВТ), равном Θвпр=11°. Анализ графиков на рис. 1 показывает, что при работе дизеля на ДТ максимальное теоретическое значение rNOх составляет 260 ppm, максимальное значение СNOх=0,37 г/м3 при φ=14°. При работе дизеля на КПГ максимальные теоретические значения: rNOх = 280 ppm, СNOх=0,4 г/м3 при φ=16°. На рис. 2 представлены результаты теоретических расчетов изменения объемного содержания rNOх и массовой концентрации СNOх оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ при работе на ДТ и КПГ в зависимости от угла ПКВ для номинальной частоты вращения n=2400 мин-1 и ре=0,947 МПа при оптимальных установочных УОВТ (при работе на КПГ оптимален Θвпр=7°, а при работе на ДТ - Θвпр=9°). Анализируя графики на рис. 2, можно отметить, что при работе дизеля на ДТ максимальные теоретические значения: rNOх = 970 ppm, СNOх=1,39 г/м3 при φNOх max=13°. В момент открытия выпускного клапана rNOх = 740 ppm, СNOх=1,07 г/м3 при φ=130° [10, 11]. При работе дизеля на КПГ максимальные теоретические значения: rNOх = 940 ppm, СNOх=1,36 г/м3 при φNOх max=15,5°. В момент открытия выпускного клапана rNOх = 570 ppm, СNOх=0,82 г/м3. На рис. 3 представлены результаты теоретических расчетов изменения объемного содержания rNOх и массовой концентрации СNOх оксидов азота в цилиндре газодизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе с РОГ в зависимости от угла ПКВ на оптимальном установочном УОВТ Θвпр=23° для номинальной частоты вращения n=2200 мин-1 и ре=0,64 МПа. Из рис. 3 видно, что характер протекания кривых для газодизеля с РОГ сохраняется. Так, при работе на ДТ максимальные теоретические значения составляют: rNOх = 0,17%, СNOх=2,45 г/м3 при φ=20°. При работе на КПГ максимальные теоретические значения: rNOх = 0,22%, СNOх=3,17 г/м3 при φ=21°. Применение 10%-ной РОГ на газодизеле приводит к снижению объемного содержания и массовой концентрации оксидов азота примерно до уровня дизельного процесса при φ=70°, а применение 20%-ной РОГ снижает содержание оксидов азота при этом же угле в 2 раза [12]. Выводы В результате исследований, проведенных на основании разработанной математической модели для расчета оксидов азота в цилиндрах газодизелей 4Ч 11,0/12,5 и 4ЧН 11,0/12,5, получены теоретические данные по объемному содержанию rNOх и массовой концентрации СNOх оксидов азота. Подтверждена высокая сходимость расчетных данных с результатами экспериментальных исследований (разница не превышает 5%).

About the authors

V. A Likhanov

Vyatka State Agricultural Academy

DSc in Engineering Kirov, Russia

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
PhD in Engineering Kirov, Russia

References

Supplementary files