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


Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to the modeling of process of nitrogen oxides formation in the cylinder of diesel engine operating on compressed natural gas. The combustion of methane-air mixture, ignited by atomized pilot oil that is injected through multijet nozzle, in the cylinder of gas-diesel engine increases the rate of turbulent fluctuations, which leads to intensification of heat and mass exchange in the plume, and significantly increases the rate of formation and decomposition of nitrogen oxides. The calculation of expected emissions of nitrogen oxides in the cylinder of diesel engine and their content in the exhaust gases is carried out. It is done on the basis of the results of kinetic systems modeling for calculation of the kinetics of nitrogen oxides formation during combustion of natural gas and diesel fuel, taking into account the influence of turbocharging, intermediate cooling of charged air and exhaust gas recirculation. In the mathematical modeling of nitrogen oxide formation in the cylinder of diesel engine, the combustion process is divided into two zones, namely the zone of fresh mixture and the zone of combustion products. First zone is a mixture of fresh air with recycled gases (if there is a process of recycling) and residual gases. Before combustion starts, this zone occupies the whole cylinder. During combustion, the volume of zone of combustion products increases. Theoretical researches are carried out on the basis of developed mathematical model for calculation of nitrogen oxides in the cylinders of 4Ch 11.0/12.5 and 4ChN 11.0/12.5 diesel engines. The high precision of theoretical calculations of volumetric content and mass concentration of nitrogen oxides is confirmed, compared to the results of experimental researches (the difference does not exceed 5%).

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

  1. Зельдович Я.Б., Садовников П.А., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1947. 148 с.
  2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. 2-е изд., доп. М.: Наука, 1966. 688 с.
  3. Лопатин О.П. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и рециркуляции // Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов - вклад молодых ученых: Мат-лы 18-й междунар. науч.-практ. конф. Ярославль: Ярославская ГСХА, 2015. С. 30-34.
  4. Лопатин О.П. Разработка программы по применению оборудования для испытания газодизелей // Молодой ученый. 2015, №12(92). С. 229-232.
  5. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование показателей процесса сгорания в тракторном дизеле при применении природного газа и рециркуляции, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий // Тракторы и сельхозмашины. 2015, №9. С. 3-5.
  6. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1981. 160 с.
  7. Лопатин О.П. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015, №3(16). С. 28-30.
  8. Лопатин О.П. Исследование индикаторных показателей газодизеля при работе с рециркуляцией отработавших газов // Молодой ученый. 2015, №10(90). С. 253-255.
  9. Лопатин О.П. Результаты индицирования рабочего процесса газодизеля на режиме максимального крутящего момента // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015, №5(18). С. 8-9.
  10. Лопатин О.П. Влияние степени рециркуляции на характеристики процесса сгорания тракторного газодизеля // Молодой ученый. 2015, №14. С. 166-168.
  11. Лопатин О.П. Влияние степени рециркуляции отработавших газов на эффективные и экологические показатели дизеля // Приволжский научный вестник. 2015, №5-1(45). С. 90-92.
  12. Лиханов В.А., Лопатин О.П. Исследование мощностных и экономических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на природном газе, метаноло- и этаноло-топливных эмульсиях // Транспорт на альтернативном топливе. 2016, №2(50). С. 43-49.

Copyright (c) 2016 Likhanov V.A., Lopatin O.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies