Представлен химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом в виде определенной последовательности этапов протекания реакций промежуточных и конечных элементов.
Ключевые слова:дизель, газодизель, природный газ, наддув, оксиды азота.
При сгорании метановоздушной смеси (МВС) в цилиндре газодизеля с турбонаддувом в результате термического и окислительного пиролиза молекул углеводородов жидкого топлива и метана образуются активные центры цепных реакций — атомы и радикалы, локальная концентрация которых значительна. В то же время имеются доказательства, что на образование NOх в цилиндре газодизеля с турбонаддувом существенное влияние оказывает не только тепловой режим, но и локальная концентрация активных центров. Кроме того, процесс образования NOх зависит от скорости расходования в зоне реакции активных частиц и кислорода и конкуренции этих процессов между собой. Взаимодействие образующихся в результате пиролиза топлива атомов и радикалов с азотом, содержащимся в МВС, приводит в конечном итоге к образованию NOх. Скорость подобных превращений зависит от ряда факторов: концентрации азота в зоне реакции, скорости сгорания топливовоздушной смеси, скорости конкурирующих реакций активных центров и кислорода [1, 2].
Горение МВС в цилиндре газодизеля с турбонаддувом, воспламененной распыленным запальным дизельным топливом (ДТ), впрыснутым через многоструйную форсунку, увеличивает масштаб турбулентных пульсаций, что приводит к интенсификации тепломассообмена в факеле и значительно увеличивает скорость разложения NOх. [3, 4].
Опираясь на результаты моделирования кинетических систем для расчета кинетики образования оксидов азота при горении природного газа и ДТ, кроме того, суммируя известные данные о протекании элементарных реакций при сгорании метана и выделяя из них наиболее весомые, а также учитывая влияние применения турбонаддува, механизм процесса образования NOх в цилиндре газодизеля с турбонаддувом можно представить в виде определенной последовательности этапов образования промежуточных и конечных элементов, как это показано на рис. 1 [5].
Рис. 1. Схема процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с наддувом: а — в зоне преобладания бедного метано-воздушного вихря; б — в зоне распространения богатого метано-воздушного вихря; I — образование NO по бимолекулярной реакции; II — окисление NO до NO2 в предпламенной зоне; III — образование и разложение гемиоксида азота N2O; IV — образование NO за счет расхода NO2; V — термический пиролиз метана; VI — взаимодействие молекулярного азота с углеводородными фрагментами; VII — превращение HCN в CN; VIII, IX — образование быстрого NO; Х — образование термического NO по механизму Я. Б. Зельдовича; ХI — образование термического NO через радикалы ОН; XII — окисление NO до NO2 в запламенной зоне
Цепь I характеризует образование NO при температуре более 1000 К как результат реакции столкновения молекул азота с молекулами кислорода. Образовавшийся монооксид азота NO доокисляется до NO2 под действием пероксидного радикала НО2, образующегося в зоне гибели атомарного водорода (цепь II на рис. 1). По мере интенсификации процессов испарения ДТ и горения, увеличения температуры и снижения коэффициента избытка воздуха α увеличивается вероятность развития других механизмов образования NOх. В цепи V происходит взаимодействие молекулярного азота с углеводородными радикалами HCN и CN, образовавшимся в результате пиролиза молекулы CH4 при температурах меньше 1500 К и недостатке воздуха. В температурном уровне менее 1500 К, где имеется недостаток окислителя азота воздуха, кроме столкновения молекул азота с молекулами кислорода происходит взаимодействие молекулярного азота с углеводородными фрагментами, образующимися в результате пиролиза молекулы СН4. При этом в качестве промежуточных продуктов выступают соединения типа HCN и СN, участвующие в последующем цепном механизме образования NO [6, 7].
Предполагая, что около половины соединений HCN, превращается в CN (цепь VI на рис. 1), а около 10 % образовавшегося HCN переходит в CN. Остальная часть переходит в атомарный азот. Образующиеся в процессе цепных реакций радикалы CN, NH являются возможными центрами образования NO (цепь VII). Таким образом, рассмотренные химические реакции приводят к образованию «быстрых» NO.
При температуре более 2500 К происходит образование «термических» NO при диссоциации молекулы кислорода (цепь VIII). Далее происходит образование «термических» NO по механизму Я. Б. Зельдовича (цепь IX). К моменту самовоспламенения находится большое количество локальных объемов МВС, в которой присутствуют промежуточные продукты (химически неустойчивые) низкотемпературного разложения метана, в том числе радикалы ОН. Поэтому образование «термических» NO протекает также по схеме через гидроксильные радикалы (цепь X).
При глубоком пиролизе топлива в КС газодизеля с турбонаддувом находится большое количество локальных объемов метано-воздушного вихря, в которых присутствуют промежуточные химически неустойчивые продукты низкотемпературного разложения метана, в том числе радикалы ОН. Поэтому образование термического NO протекает также по схеме через радикалы ОН (цепь XI). При определении теплового режима двигателя наиболее значимыми реакциями, благодаря которым достигается максимальная температура цикла, являются реакции окисления СН4, в результате которых происходит образование термических NO по механизму Я. Б. Зельдовича (цепь IX).
Вследствие этого, в цилиндре газодизеля с турбонаддувом оксиды азота начинают образовываться после полного расхода углеводородов, находящихся в исходном состоянии. Поэтому образование оксидов азота напрямую связано с количеством атомарного кислорода, концентрация которого зависит от температуры в каждой зоне и времени горения МВС. Наиболее существенными реакциями, дающими весомый вклад в процесс образования оксидов азота в цилиндре газодизеля с турбонаддувом, являются реакции с радикалом ОН, протекающие по механизму Я. Б. Зельдовича. Также нельзя не учитывать тот факт, что во время такта расширения происходит образование диоксида азота (ветвь XII на рис. 1), который может составлять до 20 % от общего количества образовавшихся оксидов азота [8–10].
В отработавших газах газодизеля с турбонаддувом содержатся различные оксиды азота, но подавляющая часть из них образуется в результате пиролиза метана через радикалы ОН. Следовательно, разработка расчетной модели для этого механизма позволит без трудоемких и дорогостоящих экспериментальных работ на натурных объектах исследовать влияние различных параметров, таких как применение природного газа и турбонаддува, на образование и выход основного токсичного компонента ОГ дизелей — оксидов азота.
Литература:
1. Лопатин О. П. Влияние применения природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий на содержание токсичных компонентов в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 13–15.
2.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. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2004. — 18 с.
3. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 4 (40). С. 21–25.
4. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Транспорт на альтернативном топливе. 2012. № 4 (28). С. 70–73.
5. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2010. № 1. С. 11–13.
6. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 2. С. 6–7.
7. Лиханов В. А., Лопатин О. П., Шишканов Е. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путем их рециркуляции // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 9. С. 8–9.
8. Лиханов В. А. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля. Монография / В. А. Лиханов, О. П. Лопатин. Киров, 2004. — 106 с.
9. 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.
10. RU 2257482 С2, 27.07.2005.
