Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Рабочий процесс водородного дизеля. образование оксидов азота в процессе сгорания и способы уменьшения их эмиссии 14
1.1. Актуальность исследования экологических показателей водородного дизеля 14
1.2. Способы подачи водорода в двигатель внутреннего сгорания 17
1.3. Экологические показатели водородного двигателя 21
1.4. Образование оксидов азота в поршневых двигателях 24
1.5. Краткий обзор методов расчета оксидов азота 27
1.5.1. Механизмы образования оксидов азота 28
1.5.2. Методы расчета концентрации NOx в камере сгорания поршневого двигателя 31
1.6. Нормирование токсических компонентов ОГ дизелей 35
1.7. Способы снижения эмиссии вредных выбросов отработавших газов дизелей 37
1.7.1. Влияние систем топливоподачи и воздухоснабжения 38
1.7.2. Влияние закрутки воздуха при впуске 40
1.7.3. Влияние рециркуляции отработавших газов 42
1.7.4. Влияние фаз газораспределения 43
1.7.5. Влияние степени сжатия 44
Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Моделирование процессов трехмерного нестационарного течения, турбулентного сгорания и образования оксидов азота в камере сгорания водородного дизеля 49
2.1. Фундаментальная система уравнений переноса в цилиндре двигателя
2.2. Модели турбулентности 53
2.3. Пристеночные функции 57
2.4. Модель сгорания 58
2.5. Краткое описание алгоритма SIMPLE 60
2.6. Численный метод контрольных объемов (МКО) на примере уравнения теплопроводности 61
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Верификация зб-модели рабочего процесса водородного дизеля. сравнительный анализ экологических характеристик водородного дизеля и его базовой модификации 66
3.1. Технические данные исследуемого дизеля и краткое описание экспериментальной установки 66
3.2. Разбиение расчетной области на контрольные объемы. Генерация сетки 70
3.3. Подготовка исходных данных для проведения численного эксперимента 73
3.4. Верификация математической модели 74
3.5. Влияние выбранных моделей турбулентности на образование оксидов азота в камере сгорания водородного дизеля 76
3.6. Сравнение результатов моделирования трехмерных нестационарных процессов в цилиндре водородного дизеля и базового двигателя 81
Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Исследование влияния регулировочных и конструктивных параметров водородного дизеля на эмиссию NOx 91
4.1. Влияние конструкции форсунки 91
4.2. Влияние цикловой подачи топлива 103
4.3. Влияние коэффициента избытка воздуха 109
4.4. Влияние температуры впускного воздуха 115 Стр.
Выводы по главе 4 119
Основные выводы по диссертационной работе 121
Список литературы 1
- Экологические показатели водородного двигателя
- Краткое описание алгоритма SIMPLE
- Разбиение расчетной области на контрольные объемы. Генерация сетки
- Влияние коэффициента избытка воздуха
Введение к работе
Актуальность проблемы. На сегодняшний день всё более реальной становится угроза истощения природных запасов жидких углеводородных топ-лив. Экологические требования к продуктам сгорания двигателей внутреннего сгорания ужесточаются. Затраты на моторное топливо, а также на общую эксплуатацию транспортных средств постоянно растут. Среди тепловых двигателей на транспорте и в стационарной энергетике основное место занимают поршневые двигатели в силу наличия высоких эффективных показателей, таких как удельный расход топлива и КПД. В то же время стоит заметить, что поршневые двигатели являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. При данных обстоятельствах одним из надежных путей для решения экологических и энергетических проблем, связанных с поршневыми двигателями, является переход на альтернативное топливо. На первом этапе очевиден переход на природный газ, запасы которого достаточно велики, но в дальнейшем прогнозируется переход на водород, запасы которого практически неисчерпаемые. Прогнозируется, что постепенно будет осуществлён и расширен частичный перевод, а позже и полный перевод поршневых двигателей на водород с сохранением возможности работы на базовом топливе.
В настоящее время среди водородных двигателей на транспорте основную долю занимают двигатели с принудительным зажиганием, работающие на газообразном и на жидком водороде. Концепция водородного дизеля с непосредственным впрыскиванием в цилиндр газообразного водорода обладает очевидными преимуществами, но до сих пор не реализована на серийных двигателях и мало исследована. Небольшое количество существующих исследований по данному направлению носят в основном экспериментальный характер. Доказывая практическую возможность и перспективность такой концепции, они не затрагивают при этом специфику протекания внутрицилиндровых процессов в водородном дизеле, определяющих экологические показатели водородного дизеля. Исключением являются исследования, проведенные в МГТУ им. Н.Э. Баумана, в Мюнхенском техническом университете, а также на фирме MAN, которые показали, что для обеспечения самовоспламенения газообразного водорода в цилиндре и стабильного протекания последовательных рабочих циклов требуются увеличение степени сжатия и подогрев воздуха при впуске.
В диссертационной работе рассматривается конвертированный на водород дизель с непосредственным впрыскиванием в цилиндр газообразного водорода. Очевидно, что в продуктах сгорания исследуемого водородного дизеля отсутствуют СН, СО, СОг и твёрдые частицы сажи. Их образование в результате горения смазочного масла не учитываются. Таким образом, основной экологической проблемой является минимизация концентраций оксидов азота. Решению этой актуальной проблемы и посвящена данная работа.
Цель работы. Целью диссертационной работы является моделирование и сравнительный анализ процессов смесеобразования, сгорания и образования оксидов азота в водородном дизеле с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода и в его базовом варианте, работающем на традиционном
і
дизельном топливе, определение регулировочных и конструктивных параметров, обеспечивающих улучшение экологических характеристик водородного дизеля.
Основные задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели трехмерных нестационарных процессов переноса и турбулентного горения в цилиндре дизеля, конвертированного на газообразный водород.
-
Верификация расчетных данных по результатам измерения (индикаторных диаграмм) базового дизеля и водородного аналога.
-
Анализ влияния конструктивных (конструкций форсунок) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, цикловой подачи и продолжительности впрыска водорода, температуры впускного воздуха) параметров на образование оксидов азота в камере сгорания газожидкостного двигателя.
-
Выдача практических рекомендаций по снижению эмиссии оксидов азота в водородном дизеле.
Научная новизна работы заключается в том, что - впервые в трехмерной постановке исследуются нестационарные процессы движения рабочего тела, смесеобразования, сгорания и образования оксидов азота в водородном дизеле, с непосредственным впрыскиванием в цилиндр газообразного водорода;
- проведено исследование влияния конструктивных (конструкции форсунок) и регулировочных (коэффициента избытка воздуха, цикловой подачи и продолжительности впрыска водорода, температуры впускного воздуха) параметров на образование оксидов азота базового двигателя и его водородной модификации.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, гид-ро- и газодинамики и физической химии с соответствующими граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей, результатами верификации математических моделей;
применением современных, хорошо апробированных моделей турбулентности, горения и образования оксидов азота, реализуемых в 3D - CFD коде AVL FIRE (лицензионное соглашение между фирмой AVL и МГТУ им. Н.Э. Баумана).
- применением надежных опытных данных по исследованию рабочего про
цесса водородного дизеля и базового дизеля на традиционном топливе, полу
ченных в совместных исследованиях МГТУ им. Н.Э. Баумана и Мюнхенским
техническим университета, на фирме MAN.
Практическая значимость работы состоит в том, что: - создан инструмент, позволяющий с достаточной точностью прогнозировать экологические характеристики, в частности эмиссию оксидов азота в водородном дизеле с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода на стадии его проектирования;
- определены значения конструктивных (конструкции форсунок) и регу
лировочных (коэффициента избытка воздуха, цикловой подачи и продолжи
тельности впрыска водорода, температуры впускного воздуха), обеспечиваю
щих улучшение экологических показателей водородного дизеля.
Автор защищает:
результаты исследования по влиянию конструктивных (конструкции форсунок) и регулировочных характеристик (коэффициента избытка воздуха, цикловой подачи и продолжительности впрыска водорода, температуры впускного воздуха) на концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания водородного дизеля с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода.
экспериментально обоснованные математические модели внутрицилин-дровых процессов в водородном дизеле, методы компьютерных реализации этих моделей и результаты численных экспериментов, полученных на основе используемых моделей и методов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:
Юбилейной научно-технической конференции «Двигатель-2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2010);
XVIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях» (Звенигород, 2011);
заседаниях кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2012, 2013, 2014).
Личный вклад. Соискатель настроила математическую модель для расчета образования оксида азота в водородном дизеле, провела серию численных экспериментов по исследованию образованию оксидов азота, обработала полученные данные и проанализировала влияние различных факторов на образование оксидов азота в водородном дизеле.
Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 5 работах общим объемом 2,41 п.л.
Объем работы: диссертационная работа содержит 137 страниц основного текста, 56 рисунков, 9 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, списка литературы, включающего 113 наименований.
Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках гранта РФФИ № 09-08-00279а.
Экологические показатели водородного двигателя
В ряде случаев из-за высокой реакционной способности водорода наблюдаются обратные проскоки пламени во впускной трубопровод, преждевременное воспламенение топливных смесей и их жесткое сгорание. Применяя ту или иную модификацию топливоподающей системы двигателя можно в значительной степени устранить указанные недостатки. На сегодняшний день можно выделить несколько способов подачи водорода в ДВС:
Необходимо отметить, что первый и второй способы подачи водорода могут обеспечить стабильную работу двигателя только в совокупности со следующими мероприятиями: добавка воды к топливному заряду, частичная рециркуляция отработавших газов или использование бензина в качестве основного топлива.
При работе двигателя на стехиометрических и богатых смесях удается смягчить, а также предотвратить обратные вспышки с помощью частичной рециркуляции ОГ, которая осуществляется за счет разбавления зарядка инертными компонентами. В современных двигателях внутреннего сгорания степень рециркуляции может достигать 50% и более от топливного заряда, поступающего в двигатель. Это приводит к дополнительным потерям наполнения цилиндра независимо от степени рециркуляции. Добавка бензина или воды, в отличие от рециркуляции ОГ, (в основном впрыскиванием во впускной трубопровод) не влечет за собой ухудшение наполнения цилиндра [10].
Организация впрыскивания водорода непосредственно в камеру сгорания демонстрирует наилучшие результаты [11, 12, 13]. Это полностью исключает обратные вспышки во впускном трубопроводе. При этом значение максимальной мощности даже может быть повышено на 10-15% [10].
Зависимость химического коэффициента молекулярного изменения для различных видов топлива и способов смесеобразования: 1,5 -водород, внутренне и внешнее смесеобразование соответственно; 2 - дизельное топливо, внутренне смесеобразование; 3,4 - бензин, внутреннее и внешнее смесеобразование соответственно.
Непосредственное впрыскивание водорода в камеру сгорания водородного дизеля имеет преимущества как с точки зрения термодинамики процесса так и с точки зрения молекулярного измерения. С термодинамической точки зрения преимущество водородного дизеля по сравнению с водородным двигателем с внешним смесеобразованием заключается в том, что , согласно Рис. 1.1, каждый моль исходного вещества (кислорода) после подачи в цилиндр водорода переходит в 2 моль воды; это приводит к увеличению объема газов в цилиндре двигателя. В случае использования водорода в двигателях с внешним смесеобразованием, согласно Рис. 1.1, 3 моль исходного вещества (2 моль водорода + 1 моль кислорода) в результате реакции переходит в 2 моль воды, что приводит к уменьшению объема газов в цилиндре двигателя.
К недостаткам водородного дизеля можно отнести следующее: подача водорода в цилиндр двигателя осуществляется под давлением, что требует определенных затрат энергии; при использовании жидкого водорода в качестве моторного топлива дополнительно затрачивается энергия на сжижение водорода.
Все предлагаемые схемы возможного применения водорода в двигателях внутреннего сгорания можно разделить на две группы: как основное топливо и в качестве водородной добавки. В рамках существующих вариантов водород может использоваться как монотопливо либо в составе вторичных энергоносителей.
На сегодняшний день существует множество работ, в которых водород рассматривается как дополнительное топливо, а не единственное. Также стоит отметить, что в большинстве исследований за основу берутся бензиновые прототипы. Это связано с тем, что для современного двигателестроения такой способ улучшения эффективных и экологических показателей является экономически более привлекателен. Во-первых, производство водорода в необходимых для двигателестроения масштабах - серьезная задача, которая вряд ли будет решена в ближайшее время. Во-вторых, организовать оптимальный рабочий процесс с применением водорода в дизеле гораздо сложнее, чем в двигателе с воспламенением от электрической искры. Когда мы имеем дело с бензиновым двигателем, воспламенение происходит благодаря электрической искре, а это значит, что процесс горения может быть осуществлен практически в любых условиях. В-третьих, считается, что чем меньше водорода на борту транспортного средства, тем безопасней.
Применение водорода в дизелях затрудняется, как уже было отмечено, из-за его высокой температуры самовоспламенения. Вследствие этого для организации стабильности процесса воспламенения дизели конвертируют в двигатели с принудительным воспламенением от свечи зажигания или запальной дозы жидкого топлива. В данном случае водород может подаваться в камеру сгорания либо совместно с воздухом, либо путем непосредственного впрыска в цилиндры. Тем не менее, устойчивая работа дизеля на водороде может быть обеспечена лишь в узком диапазоне топливных смесей, который ограничен пропусками воспламенения и детонацией. Увеличение дозы запального топлива совершенствует антидетонационную стойкость смеси, расширяя при этом границы воспламенения. Благодаря этому нормальная работа водородного дизеля становится возможной при строго определенном минимальном расходе запального топлива. Расход, в свою очередь, определяется составом смеси и режимом работы двигателя.
Стоит подчеркнуть, что в настоящее время практически все исследования рабочего процесса водородного дизеля осуществляются в основном в двух направлениях: двигатели на традиционном топливе с добавками водорода и водородные двигатели с принудительным зажиганием с помощью свечи зажигания.
Инновационность данной работы заключается в том, что водород подается в камеру сгорания двигателя в газообразном состоянии и является единственным топливом, а не добавкой. В качестве базового двигателя был выбран дизель MAN 24/30, конвертированный на водород с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода.
Краткое описание алгоритма SIMPLE
Стоит отметить особую роль системы топливоподачи и системы воздухоснабжения дизеля, так как коэффициент избытка воздуха а оказывает большое влияние на экологические и экономические показатели двигателя и определяет полноту сгорания топлива и топливовоздушное состояние смеси в КС. Для дизеля при а =1,7-2,5 зависимость удельного эффективного расхода топлива от коэффициента избытка воздуха а демонстрирует ярко выраженный минимум (Рис. 1.2, а=2). При снижении а за пределы приведенных выше значений наблюдается ухудшение качества рабочего процесса дизеля, а при а, ниже предела дымления адым=1,2-1,3, отмечается не только резкое ухудшение процесса сгорания, но и показателей эмиссии вредных выбросов ОГ и топливной экономичности. Для дизелей с неразделенными КС снижение а ниже значений 1,4-1,5 приводит к недогоранию топлива и к выбросам продуктов неполного сгорания [113]. Увеличение а выше значений 2,0-2,5 сопровождается ухудшением топливной экономичности, снижением температур сгорания и как следствие снижению содержания эмиссии оксидов азота NOx в ОГ. 120
Обобщенная зависимость удельного эффективного расхода топлива ge и концентраций в ОГ дизелей оксидов азота CNOx и сажи Сс от коэффициента избытка воздуха а при работе по нагрузочной характеристике на номинальном скоростном режиме
Значения коэффициента избытка воздуха а во многом влияют на эмиссию NOx дизелей. На режимах внешней скоростной характеристики с низкими а и небольшой частотой вращения наблюдается максимальная концентрация NOx в ОГ. Также на содержание оксидов азота в ОГ влияют и локальные значения коэффициента избытка воздуха а.
Топливная экономичность и содержание в ОГ продуктов неполного сгорания традиционного углеводородного топлива (С, СО, СНХ) определяются полнотой сгорания топлива и, следовательно, а или цикловой подачей топлива. Эмиссии С и СО в ОГ имеют минимум при а=3-6 (см. Рис. 1.2). Увеличение выбросов при больших значениях а объясняется снижением качества смесеобразования при малых цикловых подачах топлива. На режимах внешней скоростной характеристики с пониженной п и низким а эмиссии С, СО, СНХ по абсолютной величине достигают наибольших значений. Повышение а приводит к уменьшению абсолютных величин эмиссии продуктов неполного сгорания. Оптимизация значений а в широком диапазоне режимов работы дизеля может быть осуществлена при управлении процессами топливоподачи или воздухоснабжения. Но только управлением топливоподачей не всегда удается достичь требуемых результатов, так как при повышении а за счет снижения подачи топлива снижаются мощностные показатели дизеля. Поэтому в дизелях с турбонаддувом целесообразным путем воздействия на а для снижения токсичности отработавших газов и повышения топливной экономичности является управление процессом воздухоснабжения, который позволяет увеличивать давление наддувочного воздуха рк и подачу воздуха на режимах с низкими а, что улучшает условия смесеобразования и повышает полноту сгорания топлива.
Необходимо отметить, что заметное влияние на показатели дизеля оказывает не только усредненный состав топливовоздушной смеси, т.е. средний по объему цилиндра коэффициент избытка воздуха а, но и локальные значения а в каждой зоне КС. Наличие зон сгорания топлива с недостатком кислорода (с низким а) неблагоприятно сказывается на топливной экономичности дизеля и токсичности его ОГ [53].
Для выравнивания значений а по объему КС необходимо совершенствовать качество процесса смесеобразования. Усовершенствование рабочего процесса достигается организацией вихревого движения воздуха в цилиндрах двигателя, либо улучшением качества распыливания топлива при повышении давления впрыскивания. В двигателях с пленочным смесеобразованием усовершенствование рабочего процесса в основном осуществляется за счет интенсивного движения воздушного заряда, а в дизелях с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием - путем сочетания вихревого движения воздушного заряда и более высокого давления впрыскивания [107]. В последнем случае интенсивность движения воздушного заряда должна быть согласована с ориентацией струй топлива в КС и параметрами впрыскивания. Степень интенсивности вихревого движения воздуха характеризуется вихревыми отношениями [54]
Чем меньше диаметр цилиндров двигателя, тем сложнее организовать хорошее распыливание топлива и тем интенсивнее должно быть вихревое движение воздуха.
Организация вихревого движения воздушного заряда в цилиндрах ДВС осуществляется во время движения поршня к ВМТ путем вытеснения воздуха из цилиндра в КС в поршне [108]. В случае если данный вихрь не достаточно интенсивен, прибегают к созданию дополнительного осевого вихря. Для этого устанавливают заслонку во впускном канале, а на впускном клапане - ширму. Также возможен варрант с профилированием впускного канала соответствующим образом.
Осуществление вихревого движения воздушного заряда благотворно влияет на рабочий процесс: топливо более равномерно распределяется по всему объему КС и лучше испаряется, наблюдается многоочаговый характер воспламенения топливовоздушной смеси [109]. При этом обеспечивается более хорошая подготовка топлива к самовоспламенению и наблюдается сокращение периода задержки воспламенения. В результате интенсификации движения воздуха раннее тепловыделение влечет за собой увеличение времени, которое отводится на процессы окисления продуктов неполного сгорания во время процесса расширения. При работе на традиционном топливе это позволяет сократить эмиссию С, СО, СНХ, и улучшить топливную экономичность. Также из-за более раннего сгорания оно приближается к ВМТ. При этом максимальные температуры сгорания увеличиваются, а вместе с ними увеличиваются выбросы оксидов азота NOx Стоит отметить, что повышение вихревого отношения D может существенно увеличить концентрацию выбросов NOx при этом влияние на топливную экономичность будет несущественным. Этот факт более заметен на режимах с полной нагрузкой и большой частотой вращения. На режимах с низкими частотами вращения и малыми подачами топлива отмечается в значительной степени снижение качества распыливания топлива, следствием чего является ухудшение показателей рабочего процесса двигателя [55, 56]. Таким образом, именно на данных режимах работы осуществление вихревого движения заряда является наиболее целесообразным.
Одним из результативных методов снижения выбросов оксидов азота NOx ОГ ДВС является рециркуляция ОГ. При этом часть ОГ возвращается из выпускной системы в цилиндры дизеля и смешивается со свежим зарядом. Количество перепускаемых ОГ определяется степенью рециркуляции Рр, которая определяется отношением массового расхода рециркулируемых отработавших газов к массовому расходу разбавленного газами воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.
В основе данного способа уменьшения эмиссии вредных выбросов ОГ лежит разбавление поступающего в цилиндры воздуха диоксидом углерода СОг (химически инертным газом), который является одним из основных составляющих ОГ дизеля. Уменьшение выбросов оксидов азота NOx при рециркуляции ОГ происходит благодаря воздействию на рабочий процесс и снижению ОГ в целом в виду того, что часть газов возвращается на впуск дизеля. Рециркуляция ОГ воздействует на рабочий процесс следующим образом: уменьшается концентрация кислорода в зоне горения, запаздывает начало сгорания и замедляется его развитие. Это и влечет за собой снижение максимальной температуры сгорания и как следствие снижает эмиссию оксидов азота NOx. Частичный перепуск ОГ в цилиндры двигателя также способствует снижению эмиссии "белого" дыма на режимах пуска и прогрева дизеля и выбросов альдегидов. Наличие последних в ОГ дизелей является одной из главных причин их неприятного запаха. При использовании частичного перепуска ОГ отмечается улучшение пусковых качеств двигателя и сокращение времени его прогрева на режиме холостого хода.
Разбиение расчетной области на контрольные объемы. Генерация сетки
При сравнении зависимостей температур от угла поворота коленчатого вала наблюдается незначительное завышение расчетного значения максимальной температуры по сравнению с экспериментальной. Также отметим хорошее совпадение полученных результатов с экспериментом во всем расчетном диапазоне.
При расчете индикаторной диаграммы использовалась модель сгорания Магнуссена-Хайтагера с коэффициентами А=3; В=1.
По итогам сравнений приведенных выше экспериментальных данных с расчетными можно сделать вывод о том, что 3-х мерная модель нестационарного течения в цилиндре водородного дизеля адекватно описывает рабочий процесс и она может быть использована для численного исследования внутрицилиндровых процессов водородного дизеля.
Влияние выбранных моделей турбулентности на образование оксидов азота в камере сгорания водородного дизеля В рамках данной работы анализировалось влияние моделей турбулентности на образование оксидов азота в цилиндре исследуемого двигателя. Из широкого круга существующих моделей турбулентности, разработанных с различными целями и предназначенных для решения всевозможных инженерных задач, были выбраны к —є и k — — f модели. Эти модели турбулентности хорошо зарекомендовали себя при решении характерных задач в области двигателестроения [86, 90, 101, 102].
Поскольку на образование оксидов азота влияет температура рабочего тела, сравнение производилось по локальным значениям. Были рассмотрены локальные поля температур при различных углах поворота коленчатого вала (Рис. 3.8, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15). 751.5
При использовании k--f скорость перемешивания и фронта пламени выше, таким образом локальные температуры на краю камеры сгорания составляют около 1500 К, в то время как для к - є локальные температуры в той же зоне еще находятся в районе 900 К (Рис. 3.9)
Сравнение локальных температур рабочего тела водородного дизеля с использованием к-є (1)и k--f (2) моделей турбулентности при ф= 440. Сравнивая поля температур рабочего тела водородного дизеля с использованием к-є и k--f моделей турбулентности, можно сделать вывод о сходстве полученных результатов. Действительно, обе модели демонстрируют сферический фронт распространения пламени. Стоит отметить, что значения температур, полученные с помощью к-є моделью турбулентности несколько выше, чем с помощью k--f модели. Разница температур не превышает 150 К.
Ниже рассмотрены концентрации NOx в цилиндре водородного дизеля при разных углах поворота коленчатого вала.
Сравнение концентраций NOx водородного дизеля с использованием к-є (1)и k-C-f (2) моделей турбулентности при ф= 350.
В начале впрыска (5 УПКВ с момента начала впрыска) при использовании модели к -є наблюдаются более концентрированные очаги образования оксидов азота (Рис. 3.12).
Сравнение концентраций оксидов азота водородного дизеля с использованием к-є (1)и k--f (2) моделей турбулентности при ф= 365.
Распространение фронта пламени выглядит практически одинаковым (Рис. 3.13). Локальные очаги концентраций оксидов азота при использовании модели турбулентности к-є немного больше, чем при использовании k--f .
Сравнение концентраций оксидов азота водородного дизеля с использованием к-є (1)и k--f (2) моделей турбулентности при ф= 380.
Начиная с угла поворота 380 значения локальных концентраций при использовании к - -/начинают превышать локальные концентрации модели
Сравнение концентраций оксидов азота водородного дизеля с использованием к-є (1)и k--f (2) моделей турбулентности при ф= 440.
Ближе к концу процесса сгорания очаги образования оксидов азота становятся почти идентичными. Максимальные значения концентраций для обеих моделей турбулентности выравниваются (Рис. 3.15).
Сравнивая расчетные данные концентраций оксидов азота, полученные с помощью различных моделей турбулентности, отмечаем, что модель к-є дает более завышенные результаты. Это объясняется более высокими локальными температурами и более быстрым распространением фронта пламени во всем расчетном диапазоне.
Сравнение результатов моделирования трехмерных нестационарных процессов в цилиндре водородного дизеля и базового двигателя Программа исследований диссертационной работы предусматривала моделирование рабочего процесса базового дизеля. Рассматриваемая задача была реализована также в программном комплексе FIRE [99, 104]. Базовый дизель исследовался при частоте вращения п= 900 мин 1. Начальные условия (температура воздуха в цилиндре, величина закрутки потока, начальный уровень кинетической энергии турбулентности) задавались равными соответствующим значениям дизельного режима. Угол опережения впрыска топлива равен Ровт= 15 до ВМТ. Форма камеры сгорания была модифицирована для обеспечения степени сжатия 13,5. При этом цикловая подача топлива равна тц = 0,9 г.
Влияние коэффициента избытка воздуха
Для режима работы с а=1,85 характерно более высокое температурное поле в зоне распылителя форсунки. Локальные значения температуры достигают 2940 К. При обеднении смеси до уровня а=2,5 локальные значения температуры снижаются до 2890 К в зоне распылителя. В целом по всему объему камеры сгорания локальные температуры находятся примерно на одном уровне.
Более высокие температуры для режима с а=1,85 приводят к более большим выбросам оксидов азота NOx. На основании полей температур строятся поля концентраций оксидов азота (Рис. 4.23). Поля концентраций оксидов азота для режима работы а=1,85(слева) и а=2,5(справа) в момент ф=360
В момент нахождения коленчатого вала ф=360 при обеднении смеси до уровня а=1,85 концентрации оксидов азота достигают значения массовой доли [МОд.];=0,0048. При обеднении смеси до уровня а=2,5 локальные массовые доли оксидов азота немного снижаются и составляют [N0 =0,0045. В случае с а=1,85 образовался локальный очаг с повышенной температурой и соответственно повышенным значением выбросов оксидов азота.
Для остальных двух режимов работы с а=2; а=2,2 суммарные по объему массовые доли оксидов азота за цикл составляют [NOx]g =0,0025 и [NOx]g =0,000245 соответственно.
В результате этого исследования можно отметить, что при увеличении степени обеднении смеси авЕ путем увеличения давления наддува значения локальных температур и средней температуры рабочего тела снижаются, что приводит к понижению концентраций оксидов азота. Данный метод используется и в других типах двигателей внутреннего сгорания, таких как газовых с искровым зажиганием и двухтопливных, но в водородном дизеле результат не так сильно заметен [75]. Это происходит из-за образования локальных очагов с богатой смесью в гетерогенной водородо-воздушной смеси.
Повысить температуру воздуха в цилиндре к моменту впрыскивания водорода без увеличения степени сжатия можно с помощью подогрева впускного воздуха. Повышение температуры впускного воздуха приводит к снижению его плотности, а следовательно ухудшает наполнение цилиндра. С целью избегания изменения цилиндра в ходе эксперимента давление наддува варьировалось так, чтобы масса воздуха и суммарный коэффициент избытка воздуха оставались постоянными. Изменение температуры впускного воздуха происходило в пределах 4=30... 62С.
Поднятие уровня давления в камере сгорания не может не привести к повышению среднемассовых температур. На Рис. 4.25 видно, что в случае с температурой воздуха tk =62С максимальное значение средней по объему температуры составляет 1200 К, в то время как для tk =30С оно находится на уровне 1150 К. Это происходит потому, что повышение температуры впускного воздуха оказывает заметное влияние на изменение скорости тепловыделения. В первой фазе сгорания водород имеет импульсный характер горения, сопровождающийся мощной тепловой вспышкой [70]. Повышение уровня среднемассовых температур оказывает негативное влияние на образование концентраций оксидов азота.
На Рис. 4.26 приведены диаграммы концентраций оксидов азота для различных температур впускного воздуха. Как следствие повышения среднемассовых температур, максимальное значение массовой доли оксидов азота соответствует режиму, при котором в цилиндр поступает воздух с температурой tk =62С. Суммарная по объему массовая доля NOx за цикл составляет {N0 =0,00023. При понижении температуры воздуха до tk =30С массовая доля NOx составляет [Л/0 5=0,0001875.
При нагреве впускного воздуха до tk=30C локальные температуры через 10 после начала впрыска достигают 2900К. При нагреве впускного воздуха до tk=65C в камере сгорания появляются очаги с температурой 3040К. Соответствующие поля концентраций оксидов азота приведены на Рис. 4.28. Рис. 4.28. Концентрации оксидов азота для режимов работы с tk =30С (слева) и tk=62C (справа) в момент ф=355.
В случае с нагревом впускного воздуха до tk=62C хорошо в камере сгорания развиваются локальные очаги концентраций оксидов азота. Локальные значения концентраций близки к [N0 =0,0049. При снижении температуры до tk=62C локальные значения концентраций удается снизить до [N0 =0,004. Отсюда следует вывод, что повышение температуры впускного воздуха с целью улучшения мощностных характеристик двигателя ведет к увеличению выбросов оксидов азота, а значит, к ухудшению экологических параметров.
Снижение эмиссии оксидов азота в отработавших газах водородного дизеля напрямую зависит от конструктивных параметров топливной форсунки. Увеличение числа сопловых отверстий форсунки при осуществлении закрутки потока и уменьшение диаметра сопловых отверстий приводит к значительному уменьшению NOx за счет уменьшения количества очагов горения и увеличения степени гомогенизации, и как следствие, уменьшением максимальных значений локальных температур.
С точки зрения экологии в водородном дизеле форсунка с параметрами 18x0,5 является наиболее эффективной. Средняя массовая доля оксидов азота в цилиндре составляет [NOx]g =0,00027. При этом максимальная средняя температура в цилиндре не превышает Тср=1200К (тц=0,33 г/цикл), а значение максимальной локальной температуры Т=2900К. Форсунка с параметрами 6x0,7 напротив, демонстрирует наихудшие экологические показатели- массовая доля оксидов азота составляет [NOx] , =0,00158 ( в 6 раза выше, чем форсунка 18x0,5).
Увеличение цикловой подачи с одновременным увеличением продолжительности впрыска влечет за собой снижений образования концентраций оксидов азота NOx. Наиболее экологически чистым режимом работы водородного дизеля является режим с цикловой подачей тц=0,49 г/цикл. Массовая доля оксидов азота NOx составила [NOx]g =0,00025. Максимальные выбросы оксидов азота двигатель демонстрирует при цикловой подаче Шц=0,33 г/цикл. Массовая доля NOx составила [Л/Од,] =0,00027. В ходе эксперимента была выявлена аналогичная закономерность.