Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных
1.1. Химическая кинетика горения
1.1.1. Горение водорода 15
1.1.2. Горение легких углеводородов 18
1.1.3. Горение тяжелых углеводородов 21
1.1.4. Образование оксида азота 30
1.1.5. Анализ литературных данных 37
1.2.Уравнения гидромеханики сплошных гомогенных и гетерогенных сред.41
1.2.1. Уравнения сохранения для составляющих. Приближения для гомогенных и гетерогенных смесей 43
1.2.2. Межфазный обмен импульсом и энергией в смеси 51
1.2.3. Система уравнений для смеси вязких сжимаемых фаз с общим давлением 56
1.2.4. Итоговые" уравнения для изучаемых смесей 57
1.3. Горение и турбулентные потоки
1.3.1. Эмпирические модели турбулентного горения 58
1.3.2. Полуэмпирические модели турбулентного горения 65
1.3.3. Плоская затопленная турбулентная струя 72
1.4. Выводы по главе 76
Глава 2. Некоторые случаи образования горючей смеси в ДВС с искровым зажиганием
2.1. Непосредственный впрыск в цилиндр двигателя GDI "Mitsubishi" 77
2.2. Центральный впрыск или карбюратор в двигателе типа ВАЗ-21011
2.2.1. Моделирование одномерных двухфазных течений в четырех-канальном впускном коллекторе 89
2.2.2. Моделирование течения пленки топлива в канале коллектора в холодный пусковой период 94
2.2.3. Моделирование полей скорости и коэффициента избытка воздуха в горячем двигателе 99
Глава 3. Химическая кинетика горения в ДВС. Предварительное тестирование и оценки
3.1. Подготовка исходных данных 101
3.2. Тестирование кинетического механизма горения метана Басевича В.Я 106
3.3. Тестирование кинетики оксида азота 107
3.4. Уравновешивание общего кинетического механизма 110
3.5. Тестирование кинетического механизма горения н-октана 113
3.6. Выводы по главе 121
Глава 4. Нульмерная химическая кинетика горения
4.1. Тестирование нульмерной кинетики горения 123
4.2. Моделирование локальной кинетики реакций в ДВС 131
4.2.1. Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 133
4.2.2. Режим холодного холостого хода двигателя ВАЗ-210 И 139
4.2.3. Второй впрыск двигателя GDI Mitsubishi 143
4.3. Сокращение общего механизма кинетики реакций при догорании 145
4.4. Выводы по главе 147
Глава 5. Одномерная химическая кинетика горения и ее применение
5.1. Кинетическая модель ламинарного горения 150
5.2. Движение фронта горения в неоднородном поле горючей смеси 158
5.3. Выводы по главе 164
Глава 6. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании и расширении в ДВС. Общая постановка и решение тестовой (двухмерной) задачи
6.1. Общее описание процесса 166
6.2. Исходные данные для решения задачи ХТТ 167
6.2.1. Ламинарные характеристики переноса 167
6.2.2. Турбулентные характеристики переноса 174
6.3. Исходные поля для решения задачи ХТТ 175
6.3.1. Применение программы GAS-2 для расчета полей скорости в цилиндре ДВС 175
6.3.2. Аппроксимация полей скорости продуктов сгорания 181
6.3.3. Применение к-є модели турбулентности для определения полей коэффициента турбулентного обмена 184
6.3.4. Поле коэффициента избытка воздуха в бензовоздушной смеси... 187
6.4. Реакции догорания компонентов при турбулентных пульсациях температуры в ДВС 188
6.5. Задача химического турбулентного тепломассообмена
6.5.1. Общая постановка задачи 195
6.5.2. Общий вид уравнений ХТТ 197
6.5.3. Граничные и начальные условия задачи ХТТ 198
6.5.4. Допущения задачи химического турбулентного тепломассообмена 201
6.5.5. Развернутое математическое описание задачи ХТТ 202
6.6. Тестирование двухмерных задач химического турбулентного тепломассообмена 203
6.6.1. Задача турбулентности 204
6.6.2. Задача химического турбулентного тепломассообмена
6.6.2.1. Влияние параметров турбулентности 207
6.6.2.2. Влияние химических реакций догорания 213
6.6.2.3. Влияние турбулентных пульсаций температур на химическую кинетику догорания 223
6.7. Выводы по главе 224
Глава 7. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании и расширении в ДВС. Трехмерные задачи и анализ
7.1. Описание алгоритма решения задачи химического турбулентного тепломассообмена 226
7.1.1. Конечно-разностное описание задачи 227
7.1.2. Блок-схема решения задачи для двигателя ВАЗ-21011 230
7.2. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании, расширении и выхлопе продуктов сгорания двигателя "Mitsubishi"
7.2.1. Тепломассобмен при догорании и расширении 238
7.2.2. Тепломассообмен при выхлопе и выпуске продуктов сгорания...242
7.2.3. Результаты и их анализ 242
7.3. Химический турбулентный тепломассообмен при догорании, расширении и выхлопе продуктов сгорания двигателя ВАЗ-21011 258
7.3.1. Рабочий режим двигателя ВАЗ-21011 259
7.3.2. Горячий холостой режим двигателя ВАЗ-21011 267
7.4. Выводы по главе 272
Глава 8. Измерения в двигателях внутреннего сгорания 275
8.1. Измерение давлений и расходов 276
8.2. Введение в спектрометрию ДВС
8.2.1. Излучение пламен 278
8.2.2. Используемые спектральные приборы и их основные характеристики 279
8.3. Видимый спектр горения
8.3.1. Монохроматр УМ-2 281
8.3.2. Спектрограф ИСП-51. Модернизация, градуировка и тестирование (пламя С2Н2+02)
8.3.3. Спектрограф ИСП-73. Цветовая температура пламени в ДВС 287
8.4. Ультрафиолетовый спектр горения
8.4.1. Спектрограф ИСП-30. Модернизация, градуировка и тестирование (пламя С2Н2+02) 291
8.4.2. Горение в двигателе внутреннего сгорания 295
8.5. Результаты спектрометрии и их применение 299
8.5.1. Изучение эффектов разноцилиндровости 301
8.5.2. Диагностика и регулирование ДВС 304
8.6. Выводы по главе. 306
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 308
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 314
- Химическая кинетика горения
- Непосредственный впрыск в цилиндр двигателя GDI "Mitsubishi"
- Тестирование кинетического механизма горения метана Басевича В.Я
- Тестирование нульмерной кинетики горения
- Кинетическая модель ламинарного горения
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. Отработавшие газы (ОГ) этих двигателей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Объемное содержание токсичных веществ в ОГ сравнительно невелико и составляет 0,2 - 2 %. При этом около 90 % от общей массы токсичных компонентов ОГ приходится на долю пяти основных веществ: оксидов углерода СО и азота NOx, несгоревших углеводородов СНХ, альдегидов RCHO, диоксида серы SO2. Нормируемыми токсичными копонентами ОГ в соответствии с современными нормативными документами (EURO-1, ..., 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 Н.А. и др., Звонова В.А., Горбунова В.В. и Патрахальцева Н.Н., Кульчицкого А.Р., Морозова К.А. [201-206].
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 1-100 часов в зависимости от условий окисления.
В промышленных городах России доля автомобильных выбросов токсичных веществ достигает 70% от общих выбросов, а в Москве - почти 90%. Автотранспортный комплекс России ежегодно наносит ущерб экологии страны на 3,4 млрд. долларов (около 1,5% от ВВП). Токсичность выхлопа ДВС прямым образом определяет низкое качество автомобилей, которые не выдерживают конкуренции с зарубежными автомобилями даже на внутреннем рынке России. По признанию Костина И.М. и Фасхиева Х.А. "отставание отечественных автомобилей от западных по уровню экологичности и безопасности является катастрофическим" [207].
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%; гсн = 0,010 %; rN0 = 0,0083 % . Такое содержание токсических веществ в ОГ можно обеспечить лишь при высоком уровне организации горения и рабочего процесса в целом, и, конечно, при наличии нейтрализаторов.
По данным отечественной научной литературы 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, ступенчато-однородных полей температуры, коэффициента избытка воздуха и, тем самым, концентрации компонентов смеси в камере сгорания (КС). Это накладывает соответствующие требования на работу систем смесеобразования, как карбюраторных, так и инжекторных систем центрального и распределенного впрыска. Такая идеализация процесса суживает диапазон возможностей снижения токсичности ОГ.
Чтобы избежать этого, необходимо использовать более гибкие системы смесеобразования, такие как программируемый (неоднократный) впрыск топлива непосредственно в цилиндр, позволяющий получать в КС наиболее выгодные поля коэффициента избытка воздуха а перед зажиганием. Такие поля должны обеспечивать надежное воспламенение в окрестности свечи малый общий расход топлива (то есть в среднем по объему КС высокие значения аСр= 1...2,5) и низкую токсичность ОГ. Для подбора полей а необходимо использовать более совершенное математическое описание образования этих полей и горения в этих полях.
Известны работы академика РАН В.Е. Алемасова и его учеников А.Л. Абдуллина, А.В. Демина, В.Г. Крюкова, В.И. Наумова, учитывающие тепломассообмен и неравновесие химического состава в неоднородных полях прямоточных камер сгорания; работы Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина, М.Ю. Свердлова, СВ. Пешкова по изучению процессов самовоспламенения топлив в ДВС на основе химической кинетики, а также работы многих других ученых по моделированию горения в ДВС. В то же время, до сих пор в отечественной литературе отсутствуют решения трехмерных уравнений тепломассообмена для процесса горения в ДВС, как для химически реагирующей турбулентной смеси газов в камере сгорания и полости цилиндра изменяющейся сложной геометрии.
В качестве объекта исследования выбраны перспективный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection -GDI) Mitsubishi Galant (1996 г), первые сведения о котором появились в популярных изданиях, например [208], и двигатель ВАЗ-21011, для которого накоплен обширный банк экспериментальных данных.
В связи с изложенным сформулируем следующее.
Целью работы является решение научной проблемы надежного теоретического прогнозирования содержания монооксидов углерода и азота в отработавших газах ДВС с искровым зажиганием на основе уточненного, многомерного математического описания горения в двигателях, полученного при синтезе основных уравнений физико-химических, газодинамических и тепловых процессов, позволяющего разрабатывать эффективные модели, алгоритмы и программы решения соответствующих задач на ЭВМ и применять их для повышения экологической чистоты рабочих процессов в ДВС. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач: применение известных методов межфазного турбулентного тепломассообмена (МТТ) для описания процессов образования горючей смеси в ДВС; создание основ химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ), позволяющего описать для условий ДВС неравновесные процессы горения во фронте пламени и догорания за фронтом на основе химической кинетики при турбулентном конвективно-диффузионном перемешивании продуктов сгорания; - выделение из общего описания ХТТ в ДВС ряда частных задач: газовой динамики, турбулентного переноса и турбулентной кинетики, которые можно решать отдельно, используя потом полученные результаты для моделирования собственно процесса ХТТ при небольших затратах машинного времени; создание на основе методов М/ХТТ математических моделей для процессов смесеобразования, горения, догорания и выхлопа в ДВС; получение результатов, подтверждающих возможность применения разработанных методов для повышения экологической чистоты рабочих процессов ДВС.
Сразу следует отметить, что решение трехмерной и нестационарной задачи турбулентного тепломассообмена на основе химической кинетики горения углеводородов топлива - в дальнейшем, задачи химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ) - требует огромных трудозатрат при разработке программного обеспечения и его отладке. Для программиста "средней руки", к каким относит себя автор, наиболее длительный этап отладки такой программы составляет 5 - 10 месяцев ежедневного труда. Аналоги решения подобных задач в отечественной литературе не известны. Поэтому в данной работе выполнены лишь первые попытки расчета полей основных параметров процесса - поставлены и решены следующие задачи турбулентного (и химического) тепломассообмена [200]:
1. При впрыске топлива непосредственно в цилиндр или при центральном смесеобразовании (впрыск или карбюратор) с образованием неоднородного поля коэффициента избытка воздуха а в КС перед зажиганием (глава 2).
2. Горения на ламинарных микроучастках фронта пламени ДВС при различных местных значениях а с образованием продуктов сгорания различного состава и разных температур (главы 3-5).
3. Движения турбулентного фронта пламени с экспериментально найденной скоростью горения и скоростью температурного расширения продуктов сгорания, с учетом сжатия поля а в топливной смеси, и результатами в виде изменяющейся геометрии объема продуктов сгорания, скорости оттока продуктов от фронта и изменением давления во времени (глава 5).
4. Догорания продуктов в этом объеме при турбулентном конвективном-диффузионном перемешивании смеси в течение всего процесса горения и расширения вплоть до открытия выпускного клапана (главы 6 и 7).
5. Догорания продуктов после открытия выпускного клапана в предположении идеально перемешанной, полностью однородной смеси с протекающими химическими реакциями в ОГ (глава 7).
Результаты решения каждой из задач используются в качестве исходных данных для следующих. Поскольку решения подобных задач (кроме п. 2) опубликованы в отечественной научной литературе впервые, уровень принятых допущений при их постановке подчинен принципу целесообразности - получить достоверные результаты, которые можно использовать в дальнейшем, и получить их при не слишком больших затратах машинного времени.
Полностью последовательность задач 1 - 5 решена для первого впрыска (в течение такта всасывания) двигателя GDI фирмы Mitsubishi. Для этого варианта впрыска процессы испарения, перемешивания, горения и догорания разделены во времени. Второй впрыск в этом двигателе происходит в конце сжатия и указанные процессы протекают одновременно, что значительно усложняет постановку задачи тепломассообмена. Поэтому для получения хотя бы предварительных результатов эта задача решена упрощенно, в рамках нульмерной кинетики (глава 4).
Для двигателя ВАЗ-21011 цепочка задач 1 - 5 решена для пусковых режимов (холодного и горячего) и для рабочего режима с нагрузкой. Проведены спектральные измерения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра [128], позволившие получить цветовую температуру пламени в ДВС и импульсы излучения полос радикалов ОН и СН при горении, результаты обработки которых подтверждают данные расчетов химической кинетики (глава 8). Задача химического турбулентного тепломассообмена (ХТТ), см. п. 4, поставлена с применением k-є модели турбулентности на основе детального кинетического механизма (ДКМ) горения метана Басевича В.Я. [5]. ДКМ горения метана в условиях ДВС дополнен полуэмпирическими реакциями распада н-октана, имитирующего бензин, и реакциями образования оксида азота N0. В итоге, ДКМ, содержащий 266 реакций для 33 частиц, использовался при решении задачи горения в ламинарном фронте пламени (п. 2). Для задачи ХТТ при догорании этот механизм был сокращен автором до 26 обратимых реакций, в которых участвуют 14 частиц.
Необходимо отметить, что использованный ДКМ горения метана является механизмом реакций легких частиц, взаимодействующих при высоких температурах горения топлива [112]. Именно они определяют, в основном, общее выделение тепла и состав продуктов сгорания, в том числе, содержание оксидов углерода СО и азота N0. Низкотемпературные ДКМ распада и окисления тяжелых молекул топлива разработаны в гораздо меньшей степени и полностью не опубликованы. Поэтому изучение кинетики низкотемпературных реакций в холодных пограничных слоях вблизи стенок КС, что позволило бы определить содержание несгоревших углеводородов СНХ, в рамках данной работы не представляется возможным.
Для упрощения задач тепломассобмена при впрыске и горении поля скорости в цилиндре (и КС) определялись предварительно, для химически не реагирующей турбулентной смеси известной температуры и плотности. При этом использовалась программа GAS-2 д.т.н., проф. Дунаева В.А. (кафедра Ракетостроение, ТулГУ). Поля скорости позволили применить к-е модель турбулентности для расчета полей коэффициента турбулентного обмена, которые в свою очередь использовались при моделировании собственно процесса ХТТ (п. 4). Такое разделение задач позволило разработать достаточно компактное программное обеспечение, каждый модуль которого допускает дальнейшее совершенствование и развитие. Максимальная продолжительность решения на ПЭВМ Pentium-4 (1,9 ГГц) собственно задачи ХТТ не превышает 8 часов. Большая часть программ, разработанных на алгоритмическом языке Фортран-95, приведена в приложениях (книга 2).
Альтернативным примером является решение аналогичной задачи в Штутгартском университете, Германия [147], где при совместном решении задач турбулентной газодинамики и горения (причем учитывается только кинетика N0, а состав углеводородов считался равновесным) машинное время достигает 8 недель.
Химическая кинетика горения
Горение водорода в воздухе и в кислороде является наиболее изученным процессом. Из обширного списка литературных источников обратим внимание лишь на последние публикации.
В работе В.К. Баева и др. «К вопросу об излучении пламен водорода по излучению промежуточных продуктов реакции» [1] приведены результаты измерений суммарной интенсивности излучения возбужденного радикала ОН в турбулентных пламенах гомогенных водородно-воздушных смесей в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 0,15 - 3,0 и диффузионных затопленных пламен водорода при различных скоростях истечения. Получена информация о влиянии на точность измерений излучения нагретых кварцевых стекол и, собственно, поглощения пламени. Показана возможность использования данных по излучению ламинарных пламен для количественной диагностики турбулентных пламен при одновременном определении формы и величины излучающего объема, а в сложных случаях и распределении давлений.
Описана методика оптической диагностики водородно-воздушных пламен по изменению интенсивности излучения возбужденных радикалов ОН в полосе длин волн Я, = 2800 - 3500 А0. Результаты экспериментов наглядно демонстрируют отсутствие однозначной связи между количеством сгоревшего водорода и суммарной интенсивностью излучения пламени, не говоря уже об их прямой пропорциональности. Представляется очевидным, что интенсивность излучения из единицы объема пропорциональна скорости дезактивации возбужденных радикалов ОН путем перехода, излучение которого регистрируется. Авторы хотят обратить внимание на изменение характера зависимости при минимальных значениях а, что свидетельствует о заметном изменении кинетического механизма или, возможно, о недостаточной точности измерений в этом диапазоне интенсивностей. Приводятся выводы:
1. Разработанная методика имеет ограниченное применение и, в лучшем случае, при горении гомогенных смесей может быть использована для приближенного построения закона тепловыделения, если известно суммарное излучение всего пламени. 2. Для диффузионных пламен степень предварительного смешения может оказать существенное влияние на суммарную интенсивность излучения пламени, что, очевидно и наблюдалось. В работе Ю. Н. Николаева «Обобщенная модель кинетики химических реакций в водородно-кислородных газовых смесях» [2] на основе рассмотрения модельного газа построена, содержащая два уравнения, обобщенная модель кинетики химических реакций, удовлетворительно, «сквозным» образом, описывающая все течение реакций в газовых смесях на основе водорода и кислорода в широком диапазоне давлений и температур. Развитие численных методов расчета процессов детонации и горения стимулировало создание простых моделей кинетики химических реакций, включающих одно или два уравнения. Высокие температуры в зоне реакции за детонационными волнами позволили разделить реакцию на два этапа: изотермический период индукции, включающий в себя цепное размножение активных центров, и последующее тепловыделение. Автором построена модель кинетики, хорошо описывающая период основного тепловыделения и последующее квазиравновесное течение химических реакций. Период индукции, как правило, описывается формулами типа аррениусовских, выбор констант в которых проблематичен. Это связанно с большими расхождениями в значениях задержки воспламенения, рассчитанных по формулам различных авторов.
Разбиение реакции на два этапа не всегда возможно даже для детонации. Например, в близких к пределу режима детонации (галопирующий режим), при критическом инициировании детонации или при «срыве» реакции в ячейке многофронтовой детонации, температура за фронтом ударной волны может падать ниже температуры самовоспламенения. Для описания таких процессов нужны другие подходы.
Непосредственный впрыск в цилиндр двигателя GDI "Mitsubishi"
Вопросы непосредственного впрыска топлива в двигателях с искровым зажиганием рассматривались в отечественной литературе начиная с 50-х годов прошлого века. Прежде всего следует упомянуть монографию Ломовско-го В.А. [62], а также ряд других изданий [63-65], где обсуждается значительный объем экспериментальных данных. В конце прошлого века отмечается возросший интерес к этому типу двигателей, особенно со стороны японских автомобильных компаний.
Для систем непосредственного впрыска в цилиндр (Gasoline Direct Injection - GDI) важнейшим преимуществом является способность создавать в камере сгорания систему зон с различным соотношением компонентов горючей смеси. В двигателях Mitsubishi Galant (1996 г), Pajero Pinin и Carisma (1997 г) предложены два варианта впрыска - для работы на стехиометриче-ской и сверхбедной смеси.
В первом случае впрыск производится широким коническим факелом в начале такта впуска (рис. 2.1,а). Поршень двигателя имеет сферическую выемку, что обеспечивает разворот струи воздуха, насыщенного парами бензина, в сторону свечи зажигания и, тем самым, обогащенную смесь в ее окрестности. В то же время длительное, в течение полутора тактов, перемешивание создает достаточно однородное поле коэффициента избытка воздуха а в камере сгорания (аср« 1).
Во втором случае впрыск производится узким факелом в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием. Струя распыла огибает сферическую выемку и подходит к свече (рис. 2.1,6), перед которой образуется фронт горения. Интенсивный подвод тепла от фронта способствует ускоренному испарению частиц горючего и сгоранию в струе богатой смеси, энергии которой достаточно для воспламенения очень бедной смеси в верхней части камеры сгорания. В итоге двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении бензина и воздуха 1 : 40, т.е. при ссср« 2,5. Для этого варианта впрыска характерно одновременное протекание процессов испарения частиц, горения смеси и перемешивания продуктов сгорания, что затрудняет описание первых двух процессов. Поэтому решение задачи перемешивания продуктов горения с учетом их догорания, изложенное в разд. 4.2, основано на достаточно грубых оценках поля избытка воздуха в камере сгорания.
В этом разделе рассмотрим первый вариант впрыска (рис. 2.1,а), для которого разделены во времени процессы испарения частиц, горения смеси и перемешивания продуктов сгорания. Особенностью конструкции первых двигателей GDI является размещение клапанов, свечи и форсунки в одной, диаметральной плоскости цилиндра, что позволяет рассматривать лишь плоские (двухмерные) задачи.
В соответствии с теорией взаимнопроникающих континуумов Р.И. Нигматулина [44] движение частиц в воздушной среде можно описать уравнениями газовой динамики для гетерогенной смеси (1.64) при отсутствии взаимодействия между частицами:
Здесь и ниже: и и w - проекции скорости; сх у - коэффициенты аэродинамического сопротивления частиц; р - плотность, dc- диаметр частиц; индексы: С - частица, В - бензин, без индекса - воздух. В правой части - ускорения сил аэродинамического сопротивления частиц. Разности скоростей записаны в виде, не позволяющем потерять знак разности при торможении или ускорении частиц. Изменение геометрии оси факела распыла во времени от точки к точке определяется с помощью векторной суммы Vc = (ис + wc2)112 , где Vc скорость частиц вдоль оси факела распыла z. Пренебрегая в плоской постановке окружной скоростью частиц, заменим факел распыла четырьмя одномерными пучками частиц (рис. 2.2). С достаточной точностью итоговое поле .плотности паров бензина можно получить наложением (суперпозицией) полей каждого пучка в отдельности.
Отметим, что по оценкам [66] ряд силовых воздействий, обусловленных межфазным взаимодействием, пренебрежимо мал. К их числу относятся:
- эффект присоединенной массы, отражающий динамический напор среды на частицу и увеличивающий ее расчетную массу;
- силы Бассе-Буссинеска, учитывающие отклонение характера течения от установившегося;
- силы Бернулли, обусловленные мгновенными разностями скоростей из-за турбулентных пульсаций.
Тестирование кинетического механизма горения метана Басевича В.Я
Решение системы кинетических уравнений (3.8) на ЭВМ проводилось при константах скорости табл. 1, с пересчетом констант по (3.9). Температура и давление стехиометрической смеси были заданы постоянными: Т = 2000 К; р = 15-105 Па. Начальные мольные доли метана СН4, кислорода Ог и азота N2 в горючей смеси определялись аналогично (3.2) - (3.4). Результаты расчета представлены в табл. 12. Указаны шаг решения DT в сек, время процесса ТАР, начальные мольные доли СЬЦ, 02, N2. Каждый абзац табл. начинается с текущего времени ТА, с, далее даны доли компонентов в порядке, указанном в нижней части табл., в конце приводится сумма долей всех компонентов ES, равная в идеальном случае единице. Подчеркнуты максимальные доли компонентов. Изменение содержания всех компонентов во времени соответствует общим представлениям о кинетике горения метана, за исключением завышенного конечного содержания паров воды Н20 и кислорода Ог. В связи с этим, для дальнейших расчетов константы обратных реакций табл. 1 были пересчитаны через константы равновесия - этот процесс будем называть уравновешиванием, см. п. 3.1.4.
В процессе сравнительных оценок чувствительности результатов от содержания высокомолекулярных веществ выяснилось, что несколько компонентов смеси имеют столь низкую концентрацию, что их химической активностью можно пренебречь. К их числу относятся метин СН, метоксил СН30, ацетил СН3СО, ацетальдегид СН3СНО и другие промежуточные вещества: С2Н302 и СН302Н [112-117]. В то же время пренебрежение любым из оставшихся компонентов, даже с наименьшим содержанием, например, СН30г или Н202 изменяет доли основных компонентов смеси на 20 - 50 % .
К настоящему времени, как следует из главы 1, механизм образования окиси азота в пламенах изучен достаточно подробно [118-121]. Тем не менее, условия горения в двигателях внутреннего сгорания - отклонения от стехиометрического соотношения компонентов, повышенные давления и т.п., накладывают на него характерные особенности. В связи с этим, в рамках численного эксперимента, рассмотрим три механизма образования N0 для условий горения в ДВС, отличающихся от стехиометрических [112,122]. Во многих работах использован механизм Зельдовича Я.Б.:
Реакцию (3.15) иногда заменяют бимолекулярной реакцией [119] Выражения для констант прямых реакций приведены в табл. 13. Подробный анализ различных значений констант реакций, опубликованных в литературе (табл. 3), показал, что разброс их значений не влияет на полученные выводы.
Тестирование нульмерной кинетики горения
Нульмерные задачи химической кинетики являются первым приближением при решении пространственных задач и позволяют провести окончательное тестирование принятых механизмов реакций. Детальный кинетический механизм реакций, представленный в табл. 15, насчитывает 266 реакций, в которых участвуют 33 компонента.
Систему кинетических уравнений (3.8) для s компонентов, участвующих в q химических реакциях можно записать как
Здесь т - время, г І - мольная доля компонента, і - номер компонента, і = l...s; j - номер реакции,; = l...q; St] - -k.rdrp - скорости прямой (+) и обратной (-) реакций; к-} - константы скорости реакций, вычисляемые по данным табл. 15; а, 0- различные значения /. Если компонент не участвует в ;-ой реакции к-} - 0 и соответствующее слагаемое отсутствует. Следует отметить громоздкость системы кинетических уравнений - 33 уравнения, в их правой части от нескольких десятков до сотни слагаемых, значения которых изменяются на десятки порядков в короткие промежутки времени. Трудности решения таких, т.н. жестких, систем уравнений обсуждаются в монографии автора [112].
Эта система уравнений интегрировалась на ЭВМ методом Гира совместно с уравнением энергии для потока, пересекающего поверхность горения где Hj- тепловые эффекты реакций (табл. 15), [І - текущая средняя молярная масса смеси, м - Х.
При интегрировании системы (4.1)-(4.2) вычислялось текущее значение удельной теплоемкости смеси где cmpi(T) - мольные теплоемкости основных компонентов, аппроксимация которых проведена по данным п. 3.1.5 в виде cmpi= а + вТ0 5 + cf 25.
В процессе решения производилась коррекция мольных долей компонентов для обеспечения равенства г. = 1.
В качестве начальных условий задавались начальная температура смеси Тн = 1200 К, а так же начальные доли горючего (октана), кислорода и азота (см. 3.1) и, тем самым, коэффициент избытка воздуха а. Более низкую начальную температуру использовать не удалось, т. к. исходный кинетический механизм, как ДКМ легких частиц, в этих условиях не работает. Таким образом, приходится считать, что подогрев смеси с 600-700 К (температура в цилиндре ДВС в конце сжатия) до 1200 К происходит за счет неучтенных в исходном механизме реакций. Для того, чтобы избежать соответствующего завышения конечной температуры текущее значение теплоемкости увеличивалось введением поправки где TG - максимальная (конечная) температура смеси - температура адиабатного горения; Tmin - минимальная температура смеси, наблюдаемая в начале процесса под действием отрицательного тепловыделения реакций распада октана. В первом приближении Tmin «Тн-130 К.
Решение задачи проведено для типичного давления в период горения р = 4 МПа и различных значений коэффициента избытка воздуха a = 0,6...1,5. Результаты приведены на рис. 4.1 в виде графиков температуры Т и скорости тепловыделения за счет химических реакций Uv во времени процесса т. Значение Uv определялось при вычислении правой части уравнения (4.2). Продолжительность активных химических реакций соответствует повышенным значениям Uv и при различных а составляет 4...5 мкс. Именно в этот период наблюдается интенсивное увеличение температуры. Наличие двух максимумов скорости тепловыделения Uv обсуждается ниже. Конечная температура адиабатного горения для богатых смесей (а=0,6) достигается быстрее, чем для бедных (а=1,5), что связано с быстрым сгоранием (максимум Uv больше) горючих компонентов. В начале процесса, при т 1 мкс, скорость тепловыделения является существенно отрицательной из-за сильного поглощения тепла реакциями распада октана. В значительной степени отрицательное тепловыделение реакций распада компенсируется при сгорании атомарного водорода Н (табл. 15, реакция 10). Тем не менее, как показано на рис. 4.2,а (кривая 1) и рис. 4.3,а наблюдается заметное падение температуры Т ниже начальной Тн = 1200 К.
Кинетическая модель ламинарного горения
Будем считать, что турбулентный фронт горения представляет собой сильно деформированную поверхность непрерывно меняющейся геометрии, в микроокрестности каждой точки которой наблюдается ламинарное горение, сопровождающееся выделением теплоты горения, изменением химического состава, температуры и плотности потока смеси пересекающего эту поверхность вдоль местной нормали. Такая модель турбулентного фронта носит название микроламинарной (разд. 1.3).
В главе 3 проведен анализ возможности применения и тестирование детального кинетического механизма (ДКМ) горения легких углеводородов Басевича В.Я. [5]. Этот механизм был дополнен реакциями распада модельного топлива, имитирующего бензин - октана CgHig. Помимо этого, в кинетическую схему введены реакции окисления азота воздуха по механизму Зельдовича Я.Б. [118], дополненного бимолекулярной реакцией образования N0 для условий ДВС Звоновым В.А. [119]. В итоге объем ДКМ составил 266 реакций в которых участвуют 33 компонента.
Система уравнений кинетической модели ламинарного горения включает в себя уравнения химической кинетики для 33-х компонентов смеси, а также уравнение энергии (в стационарном приближении) для потока, пересекающего поверхность горения, и выражение для нормальной скорости горения (уравнения Зельдовича Я.Б. и Франк-Каменецкого Д.А.):
Здесь: т - время; г,- - мольная доля /-го компонента; п - нормаль к поверхности горения; Т- температура смеси; X - коэффициент теплопроводности смеси; ср - теплоемкость смеси при постоянном давлении; 5,у и Я, - скорость и тепловой эффект у-й реакции с участием i-x частиц (табл. 15); р - текущая плотность смеси, р - текущая средняя молярная масса; ип - нормальная (при начальной температуре) скорость горения; а - коэффициент температуро-проводности; д\ - эффективная тепловая толщина фронта горения; индекс н -параметр при начальной температуре.
Похожие диссертации на Прогнозирование неравновесного образования токсичных веществ при горении в ДВС с искровым зажиганием
