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.
