Причины образования токсичных компонентов в ОГ ДВС (стр. 3 из 4)
Величина выбросов CО2 зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода. При использовании в качестве автомобильного топлива водорода в продуктах сгорания СО2 отсутствует.
Оксиды азота NOXпредставляют набор следующих соединений: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4и N2O5. Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более 90% в дизелях).
В камере сгорания NO может образовываться:
1)при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);
2)в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
3)из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).
В процессе сгорания топлив окислы азота (практически лишь окись NO) образуются в результате реакций окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха.
В нефтепродуктах содержится до 5% азотистых соединений (0,3—0,6% по весу чистого азота). Основными азотосодержащими компонентами твердого и жидкого топлив являются пиридин и его производные. Азот топлива легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный азот.
Предполагаемый механизм образования NO из топливного азота
I+R+NO+…; (13)
I+NO→N2+…; (14)
где R— компоненты, не содержащие азота.
Возможно, что I представляет собой NH2, а R— это ОН.
При содержании в топливе азота в количестве 1,4% от веса было зафиксировано в процессе сгорания увеличение выделения NO примерно в 10 раз.
Ряд исследований, выполненных на лабораторных установках с добавкой к топливу азотосодержащих соединений (пиридина, аммиака и др.), показал, что количество образовавшихся окислов азота не зависит от типа азотосодержащего компонента и определяется содержанием чистого азота в топливе.
Установлено также, что степень окисления азота топлива зависит от его концентрации в топливе и от вида пламени. Так, например, при α=1,1 в предварительно перемешанном пламени метана в воздухе и добавке аммиака от 1 до 9,3% степень превращения NH3 в NO уменьшается с 95 до 63%. В диффузионном пламени NO образуется в 2—3 раза меньше, чем в предварительно перемешанном.
В пламени при сжигании азотосодержащих топлив были зафиксированы концентрации окислов азота, значительно превышающие равновесные:
N2 + О2⇆2NO. (15)
Это можно объяснить тем, что механизм образования NO включает также реакции (13). (14), поэтому невозможно сравнивать действительные концентрации NО с равновесными по уравнению (15), которое справедливо только для образования NО в зоне продуктов сгорания из атмосферного азота.
Исследования Р. А. Липштейна показывают, что при перегонке нефти азотистые соединения остаются в тяжелых фракциях. Фракции с температурой перегонки до 350°С содержат не более 4% всего азота, находящегося в нефти. Поэтому для дизельных топлив, а тем более бензинов, получаемых из нефти, можно не учитывать при анализе образования NOреакции с топливным азотом.
Однако для используемых в тихоходных дизелях моторных топлив (ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3), у которых только 15% составляющих топлив перегоняется до температуры 250°С, а также для мазутов нельзя пренебрегать содержанием топливного азота.
Общепринятой теорией образования окиси азота из атмосферного азота и кислорода в процессе сгорания является термическая теория.
Основные положения этой теории приведены ниже.
1. Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания.
2. Выход оксидов азота зависит от максимальной температуры горения, концентрации азота и кислорода в продуктах сгорания и не определяется природой топлива (при отсутствии в топливе азота).
3.Окисление азота происходит по цепному механизму:
N2+ О ⇆NO + N — 316 кДж/моль; (16)
N + О2⇄NO+ О + 136 кДж/моль. (17)
Главной является реакция (16). Её скорость определяется концентрацией атомарного кислорода. Когда в газовой смеси есть водяные пары, процесс образования NOможет стать комбинированным и включать вместе с реакциями (16) и (17) следующие реакции:
ОН + N2 = NO + NH; (18)
NH + 02= NO + OH. (19)
Но все-таки главным механизмом термического образования является цепная реакция через атомы кислорода(16).
4.Выход NO определяется скоростью охлаждения продуктов сгорания.
5.При сгорании бедных смесей (при малой подвижности реакции) выход NO зависит от максимальной температуры взрыва, то есть от кинетики ее образования. При сгорании богатых смесей выход NOуже не определяется максимальной температурой взрыва и зависит от кинетики разложения, то есть от "закалки" образовавшейся окиси азота.
6.Концентрация окислов азота не будет больше равновесной при максимальной температуре взрыва.
7.Махе-эффект (неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания) заметно влияет на выход NO при горении бедных смесей и слабо при горении богатых смесей.
Для анализа образования окиси азота в цилиндре двигателей внутреннего сгорания имели место попытки применения бимолекулярного механизма. В некоторых случаях при использовании указанного механизма было получено достаточно хорошее совпадение опытных и расчетных концентраций NO. Однако расчеты показывают, что при условиях, существующих в цилиндре двигателей в процессе сгорания, доля бимолекулярного механизма в общем процессе образования NO незначительна (по сравнению с цепным механизмом). В последние годы в связи с выделением в атмосферу значительных количеств окислов азота с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания было проведено много исследований для выяснения механизма образования окислов азота в цилиндрах двигателей различных типов и влияния на количество окислов азота в отработавших газах параметров рабочего процесса. Исследование процесса образования окислов азота в цилиндре двигателя внутреннего сгорания усложняется изменением объема камеры сгорания (из-за движения поршня), гетерогенностью топливовоздушной смеси, движением смеси в камере сгорания, диссоциацией продуктов сгорания, неравномерностью распределения топлива по отдельным цилиндрам и цикловой неравномерностью. Установлено, что при максимальных температурах цикла в дизелях и двигателях с искровым зажиганием (Tmах=1800÷2800 К) из окислов азота практически образуется только NO. В отработавших газах двигателей с искровым зажиганием содержание NО составляет 99% количества всех окислов азота (NOx), а в отработавших газах дизелей — более 90%. В выпускной системе двигателя (при наличии кислорода в продуктах сгорания) после выхода отработавших газов в атмосферу происходит окисление NO до NO2по реакции
2NO+О2 = 2NO2. (20)
В ряде работ установлено, что в цилиндре двигателей внутреннего сгорания (дизелей и двигателей с искровым зажиганием) происходит "закалка" ("замораживание") окиси азота на уровне максимальной концентрации. Исключением является случай сжигания обогащенных смесей (при α<1). Таким образом, в процессе расширения и выпуска концентрация NO не изменяется.
На рис. 4,aприведены результаты исследований по образованию NО в цилиндре двигателя с искровым зажиганием, выполненных с помощью быстродействующего газоотборного клапана с гидравлическим приводом. Подобная картина наблюдалась и в цилиндре дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания в поршне. Отбор проб проводился газоотборным клапаном, установленным в крышке цилиндра.
Увеличение максимальной температуры в процессе сгорания, получаемое изменением различных параметров рабочего процесса, всегда приводило к увеличению выхода NO (для топлив, не содержащих азот). В цилиндре двигателя в процессе сгорания топлива температура газа в различных частях объема камеры сгорания различна. В тех зонах, где сгорание топлива произошло раньше, температура газа выше вследствие "поджатая" газа из-за сгорания в последующих зонах. Кроме того, из-за неоднородности топливовоздушной смеси в цилиндре содержание кислорода в продуктах сгорания может быть неодинаковым в различных частях камеры сгорания. Это приводит к различию концентраций окиси азота по объему камеры сгорания, особенно в случаях, когда в камере сгорания нет организованного движения воздуха.
Сказанное выше подтверждается экспериментальными данными, полученными при отборе проб газа газоотборным клапаном, установленным в разных местах камеры сгорания четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (рис. 4, а). Концентрация NОx в пробах газа, отобранных при расположении клапана в боковом отверстии 2, оказалась значительно выше (примерно на 1500 млн-1), чем в пробах при верхнем расположении клапана.
В случае расположения клапана в боковом отверстии фронт пламени от свечи зажигания подходит к нему раньше, что соответствует отбору пробы из зоны с более высокой температурой. Достаточного перемешивания продуктов сгорания при отсутствии организованного движения воздуха в цилиндре не происходит и в процессе расширения. В тонком пограничном слоена поверхности камеры сгорания процесс сгорания практически отсутствует. Температура этого слоя, называемого также "зоной гашения", ниже температуры продуктов сгорания, отдаленных от стенок камеры. Концентрация окиси азота в "зоне гашения" также значительно ниже. Это подтверждается зависимостью концентрации NOXв пробе газа, отбираемой газоотборным клапаном, от объема пробы за цикл (рис. 5). Уменьшение объема пробы газа, отбираемой из цилиндра за один цикл, при прочих равных условиях эквивалентно уменьшению толщины слоя газа, из которого взята проба.