Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Зона свежей смеси представляет собой смесьостаточных газов с воздухом, поступившим в цилиндр при наполнении. Передначалом сгорания эта зона занимает весь объем цилиндра. В ходе сгоранияпроисходит увеличение объема зоны продуктов сгорания. При разработке двухзонной математической модели процесса сгорания принято допущение, что горение топлива в цилиндре протекает с локальным коэффициентом избытка воздуха в зоне горения, значение которого в процессе сгорания изменяется от егоначальной величины αгн < 1 до 1. Текущее значение αг на участке сгорания определяется линейной зависимостью:α г = α гн +1 − α гнϕ,ϕzгде: ϕz – продолжительность процесса сгорания, п.

к. в.; ϕ – текущее значениеугла поворота кривошипа от начала сгорания, п.к.в.Расчет температуры продуктов сгорания в зоне сгорания выполняется поформуле [53]:Т пс =1 − rпс[B 2 − 4 АH см (Т см ) − H см (Т ср )] − АТ ср2 − BТ ср  − B rпс, К,2А- 76 -где: А и В – коэффициенты уравнения для энтальпии продуктов сгорания видаНпс(Тпс) = АТ2пс + ВТпс+ С, кДж/кмоль; (коэффициенты А, В, С определяются врезультате специальных расчетов, например, для продуктов сгорания дизельного топлива: A = 9,65998·10-4; B = 35,4882 + 0,472833·р; C=0); rпс – доля продуктов сгорания в заряде цилиндра; р – давление в цилиндре в конце расчетногоучастка, МПа; Тсм – температура свежей смеси в конце расчетного участка, К;Тср – средняя температура заряда в конце расчетного участка К; Нсм – энтальпиясвежей смеси, кДж/кмоль (Нсм(Тсм)=[aсм+8,314+bсмТсм/2+ cсмТ2см/3]Тсм); aсм, bсм ,cсм – коэффициенты уравнения истинной мольной изохорной теплоемкостисжимаемого заряда.Необходимо отметить, что для расчета Тпс используются данные, полученные на основе расчета рабочего процесса, описанного в главе 2.

Полученныелокальные показатели (αг, Тпс) используют при расчете процессов образованияоксидов азота.2.5.2. Расчет образования термических оксидов азота«Термическая» теория образования оксида азота была разработана Б.Я.Зельдовичем, П.Я. Садовниковым и Д.А. Франк-Каменецким [54]. В ней ведущую роль играют свободные атомы кислорода и азота. Окисление азота происходит по цепному механизму, основные реакции которого:O2 ⇔ 2O;N2 + O ⇔ NO + N;N + O2 ⇔ NO + O.Определяющей является последняя реакция, скорость которой зависит отконцентрации атомарного кислорода.Расчет образования NO по уравнению цепного механизма производитсядля зоны сгорания, затем определяется средняя концентрация NO по камере- 77 -сгорания.

Объемная доля оксида азота в продуктах сгорания rNO , образовавшихся в зоне на данном шаге расчета [53]:  rp ⋅ 2,333 ⋅ 10 7 ⋅ e⋅ rN 2eq ⋅ rOeq ⋅ 1 −  NO  rNOeqdrNO=3365dϕ 2346 Тr RTпс ⋅ 1 +⋅ e пс ⋅ NO TпсrO 2eq −38020Т пс21 ,ωгде р – давление в цилиндре, Па; Tпс– температура в зоне продуктов сгорания,К; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); ω - угловая скоростьколенчатого вала, рад/с; rNOeq , rN2eq , rOeq , rO2eq – равновесные концентрации оксида азота, молекулярного азота, атомарного и молекулярного кислорода, соответственно.Равновесные концентрации компонентов рассчитываются на каждом шагерасчета.

Расчет ведется для 18 компонентов отработавших газов: O, O2, O3, H,H2, OH, H2O, C, CO, CO2, CH4, N, N2, NO, NO2, NH3, HNO3, HCN. Для этого решается система из 14 уравнений равновесия, трех уравнений материального баланса и уравнения Дальтона [50].Доля оксида азота в целом по камере сгорания (цилиндру): rNOц = rNO rпс .Доля оксида азота в «сухих» продуктах сгорания:rNO сух =rNO,1 − rH 2Oгде rH 2O – объемная доля водяных паров в камере сгорания.«Сухая» доля оксида азота в камере сгорания:сухrNOц =rNO.1 − rH2OУдельный выброс оксида азота NO в г/кВтч рассчитывается как:eNO =30 rNO M пс3600000 ,Lц ηм- 78 -где: Мпс – количество продуктов сгорания в конце процесса сгорания, кмоль; Lц– работа, выполненная за весь рабочий цикл, кДж; ηм – механический КПД двигателя.Проверка точности модели по расчету образования термических NO былапроведена путем сопоставления результатов расчета с опытными данными, полученными при испытаниях различных дизелей: Д49, ЗМЗ, ЯМЗ, КамАЗ.

Различия между расчетными и экспериментальными данными не превышали10…15%. Результаты расчета образования термических NOx в сравнении с экспериментальными данными дизеля ЯМЗ-7512, работающего по 13-ти ступенчатому циклу, представлены на рис. 2.13.Рис. 2.13. Концентрация NOx в отработавших газах дизеля ЯМЗ-7512 поэкспериментальным и расчетным данным- 79 -2.5.3.

Расчет образования оксидов азота подетальному кинетическому механизмуДля учета образования быстрых оксидов азота используется детальныйкинетический механизм, который включает в себя как реакции образования«термических», так и «быстрых» оксидов азота [55, 56].В детальном кинетическом механизме учитывается тот факт, что сгораниесложных углеводородов происходит стадийно:- первой фазой является очень быстрый распад молекулы топлива на радикалы и молекулы с меньшим числом атомов;- далее происходит значительно более медленный процесс догорания, вкотором участвуют частицы с одним - двумя атомами углерода.Для упрощения описания первой фазы сгорания в расчетные схемы дляболее сложных, чем метан, углеводородов (компонентов дизельного топлива,биотоплива, ДМЭ) введены брутто-реакции, которые описывают распад высших углеводородов и их производных до более мелких молекул и радикалов.Кинетика первоначального распада молекулы топлива, описывается 40реакциями с участием 10 компонентов.Предполагается, что в независимости от рода рассматриваемого углеводорода при его сгорании во второй фазе участвуют одинаковые вещества.

Поэтому для описания процесса догорания используют неэмпирический детальный кинетический механизм (ДКМ) сгорания простейшего углеводорода - метана. Кинетическая схема образования NO при сгорании метана, построеннаяна основе кинетической схемы проф. Басевича В.Я., была взята из работ Бочкова М.В. и Ловачева Л.А [57, 58]:CH4+O2 ⇔ CH3+HO2CH3+O ⇔ H+H2CO..................CH+N2 ⇔ HCN+NN+O2 ⇔ NO+O.- 80 -Данная схема состоит из 199 реакций и определяет концентрации 33 компонентов: CH4, C2H, C2H2, C2H3, C2H3O2, C2H4, C2H5, C2H6, CH, CH2, CH3, CH3O,CH2O, CHO, CO, CO2, H, H2, H2O, H2O2, HO2, O, O2, OH, N2, N, NO, NO2, N2O,HNO, NH, HCN, CN.Материальный баланс компонентов, участвующих в химических реакциях, описывался системой кинетических уравнений:dC1= ± k1C jC k ± k 2Cl C m K ± k199C p C r ; dτdC 2= ± k1C a C b ± k 2Cc Cd K ± k199Ce Cf ; dτ,KKKKKKKKKKKKKKKK dC33= ± k1C α Cβ ± k 2C γ Cδ K ± k199C ε Cζ .dτгде: Cj, Ck ,… Cζ – мольные доли соответствующих веществ; τ – время; ki – константа скорости химической реакции i, определяемой по уравнению Аррениуса:k i = A T n exp( −E).RTЗдесь A – предэкспоненциальный множитель, n – показатель степени, Е – энергия активации, R – универсальная газовая постоянная.Численное решение системы дифференциальных уравнений осуществлялется методом Гира переменного порядка точности, в котором при изменениишага расчета происходит автоматический выбор порядка точности путем изменения количества слагаемых в аппроксимирующем полиноме.

Методика расчета и компьютерный код для расчета эмиссии NOx использованные в данной Работе были написаны А.В. Козловым и М.П. Гириновичем.Проверка адекватности данной методики расчета производилась путемсравнения опубликованных результатов экспериментальных исследований двигателя Caterpillar 3401 [141] с расчетными данными (см. главу 4). Особенностью рабочего процесса данного дизеля является использование двух- и трехкратного впрыскивания топлива. Полученное различие расчетных и экспериментальных данных не превышает 10..15%, рис.

4.13.- 81 -На рис. 2.12-б в сравнении с экспериментальными данными представленырезультаты расчета эмиссии сажи и NOx одноцилиндрового дизеля Lombardini15LD350(1Ч 8.2/6.6) при работе его по нагрузочной характеристике приn=3600 мин-1. Экспериментальные данные предоставлены компанией Lombardini. Анализ полученных результатов показывает, что использованиемеханизма Зельдовича дает сильно заниженные результаты в сравнении с экспериментом, хотя и может быть использовано с применением калибровки, тогда как расчет по детальному кинетическому механизму значительно лучше согласуется с результатами измерений.Таким образом, использованные в данной работе методики расчета процессов образования оксидов азота на основе ДКМ позволяют решать широкийкруг задач улучшения экологических показателей двигателей с традиционнымии новыми рабочими процессами, работающими как на нефтяных, так и на альтернативных видах топлива.2.6.

Последовательность расчета рабочего процесса поршневого ДВСРасчет рабочего процесса поршневого ДВС проводится в следующей последовательности: (см. также блок-схему на рис. 2.14, 2.15.)1. Задание начальных приближений параметров начала сжатия (в точке «a »): давление - рa, температура - Ta, концентрация ОГ - ra.2. Расчет сжатия.

Характеристики

Список файлов диссертации