Библиографическое описание:

Лопатин О. П. Зонная модель процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 261-265.

В работе изучены результаты моделирования изотермических и кинетических систем кинетики образования оксидов азота при горении природного газа и дизельного топлива, впрыскиваемого через многодырчатую форсунку в метано-воздушный вихрь цилиндра наддувного газодизеля.

Ключевые слова:дизель, газодизель, природный газ, наддув, оксиды азота.

 

В результате моделирования изотермических и кинетических систем кинетики образования оксидов азота при горении природного газа и дизельного топлива, впрыскиваемого через многодырчатую форсунку в метано-воздушный вихрь (МВВ) цилиндра наддувного газодизеля, метанотопливовоздушый заряд, образующийся после впрыскивания топлива в камеру сгорания (КС) с учетом вовлечения в движение струи метано-воздушной смеси (МВС) из окружающего пространства, молекулярной и турбулентной диффузии, как в топливном факеле, так и в окружающем пространстве КС в осевом и радиальном направлениях с учетом закручивающегося потока МВВ, можно, принимая во внимание, что концентрационная неоднородность также будет иметь место, выделить ряд зон в КС, где характер протекающих процессов и распределение компонентов образования оксидов азота будут существенно отличаться (рис. 1) [1–4].

При турбулентном движении потоков значения скоростей и концентраций оксидов азота непрерывно меняются, в результате чего зоны распространения носят условный характер, и поэтому при перемешивании метано-воздушной среды можно говорить лишь об устойчивости средних по времени границ.

Первая зона (зона 1 на рис. 1) представляет собой ядро топливного факела с большим количеством локальных объемов, в которых содержится большое количество углеводородного топлива и недостаток окислителя, поэтому для этой зоны характерно образование NO по бимолекулярной реакции, т. е. молекулярный азот, содержащийся в МВС, вступает в реакцию с молекулами кислорода при температуре выше 1000 К:

N2 + O2 → 2NO.                                                                                                           (1)

Далее оксид азота доокисляется до NO2:

NO + HO2 → NO2 + OH.                                                                                             (2)

Количество NO2, образовавшегося в результате реакции 2, может достигать 15 % от общего количества оксидов азота.

В результате турбулентной и молекулярной диффузии образуется большое количество локальных объемов, в которых содержится МВС, готовая к взрыву, и углеводородное топливо, в результате чего появляется возможность образования оксидов азота по другим механизмам [5].

Рис. 1. Зонная модель процесса образования оксидов азота в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе: 1 — зона образования NO по бимолекулярной реакции; 2 — зона образования быстрого NO; 3 — зона образования быстрого и термического NO; 4 — зона образования термического NO по механизму Я. Б. Зельдовича; 5 — зона с преобладанием бедного МВВ; 6, 7, 8, 9 — участки с зонами преобладания богатого МВВ

 

Вторая зона (зона 2 на рис. 1) характеризуется также недостатком окислителя, поэтому в оболочке топливного факела происходит образование промежуточных соединений HCN, СN, NH, непосредственно связанных с образованием «быстрых» NO в температурном диапазоне до 2000 К:

СН + N2 → HCN +N — 8,38 кДж/моль;                                                                    (3)

2С + N2 → 2CN — 16,72 кДж/моль;                                                                          (4)

CH2 + N2 → CH + NH — 37,60 кДж/моль.                                                                (5)

В области фронта горения МВВ (зона 2 на рис.1) при высокой температуре до 2000 К и малом коэффициенте α имеет место образование существенных количеств оксида азота.

Третья зона (зона 3 на рис. 1) — зона быстрого молекулярного перемешивания, высокой температуры и глубокого пиролиза молекулярного метана за счет доокисления радикалов из реакций 3–5 в присутствии продуктов испарения жидкого углеводородного топлива. В результате этого оксиды азота образуются по «термическому» и «быстрому» механизму:

HCN + O → CN + OH;                                                                                                (6)

HCN + H → CN + H2;                                                                                                  (7)

HCN + O → CHO + N;                                                                                                (8)

CN + O2 → CO + NO;                                                                                                  (9)

NH + OH → NO + H2.                                                                                                 (10)

Далее, за счет увеличения температуры и давления происходит инициирование процесса по «термическому» механизму Я. Б. Зельдовича в виде цепной схемы окисления азота, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:

О2 + М → О + О — 494 кДж/моль;                                                                            (11)

N2 + O → NO + N — 314 кДж/моль;                                                                         (12)

N + O2 → NO + O + 134 кДж/моль;                                                                           (13)

и через радикалы ОН:

N2 + ОН → NO + NH;                                                                                                 (14)

N + ОН  NO + H;                                                                                                    (15)

НNО + ОН  NO + H2О;                                                                                          (16)

HNО + O  NO + OH;                                                                                              (17)

NH + O2→ NO + OH.                                                                                                  (18)

Четвертая зона (зона 4 на рис. 1) характеризуется избытком окислителя в МВВ с турбулентным перемешиванием паров воздуха и топлива, распределенных неравномерно, поэтому образование NO происходит по «термическому» механизму Я. Б. Зельдовича при температурах выше 2500 К. Локальное же образование NO в зонах 3 и 4 связано с концентрацией атомов кислорода, которая зависит от концентрации кислорода в каждой локальной зоне и температуры в ней. Также преимущественны процессы окисления СН4, которые являются доминирующими в определении максимальной температуры в цилиндре газодизеля с наддувом [6–8].

Зона 5 — зона с преобладанием бедного МВВ, содержащая как свежую МВС так и продукты сгорания, вносимые из зон 1…4. Интенсивность протекания реакции образования NO будет зависеть от величины локального коэффициента избытка воздуха в условиях турбулентного перемешивания смеси [9, 10].

Участки с зонами 6, 7, 8, 9 являются граничными между реагирующими зонами и непрореагировавшей МВС, в которых возможны только реакции доокисления NO в NO2:

NO + HO2 → NO2 + OH.                                                                                             (19)

Таким образом, наибольший вклад в процесс образования NO в цилиндре газодизеля с наддувом вносят зоны 3 и 4, поскольку выход оксидов азота зависит от степени турбулизации заряда и величины коэффициента избытка воздуха или локальной концентрации кислорода, длительности процесса сгорания и максимальной температуры цикла. А во время такта сжатия NO не образуется.

 

Литература:

 

1.         Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции отработавших газов для снижения токсичности тракторного дизеля // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 11–13.

2.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 3. С. 3–6.

3.         Лиханов В. А., Лопатин О. П., Олейник М. А., Дубинецкий В. Н. Особенности химизма и феноменологии образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 11. С 13–16.

4.Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Киров, 2004. — 200 с.

5.         Лиханов В. А. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля. Монография / В. А. Лиханов, О. П. Лопатин. Киров, 2004. — 106 с.

6.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 7–9.

7.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.

8.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Научно-практический журнал Пермский аграрный вестник: 2013. № 1 (1). С. 29–32.

9.         Лиханов В. А., Лопатин О. П., Анфилатов А. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путем применения метанола с использованием двойной системы топливоподачи // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 5. С. 5–8.

10.     RU 2260706 С1, 20.09.2005.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle