Вот эта статья. Все так и есть, тов. Гришанов П.А.
Аспирант кафедры тепловые двигатели
Брянский государственный технический университет
г. Брянск, доступно осветил проблему и методы борьбы с ней.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ (ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА)
1. Введение
Вредные газы, которые выделяются промышленными объектами, электростанциями, автомобилями и другими транспортными средствами, угрожают здоровью человека, попадая оттуда в дыхательные пути, легкие и кровоток. Помимо здоровья человека, загрязнение воздуха также угрожает биоразнообразию и экосистемам. Ущерб от загрязнения воздуха на финансовом уровне достигает очень серьезных цифр. Сообщается, что в 2015 году загрязнение воздуха вызвало расходы в размере 280 миллиардов долларов США только в расходах на медицинскую помощь во всем мире. С прошлого по настоящее время различными организациями были опубликованы десятки отчетов о загрязнении воздуха и его воздействии, разработаны различные стратегии и планы, приняты постановления и законы для предотвращения загрязнения воздуха.
В настоящее время изменение климата, вызванное загрязнением воздуха, стало серьезной проблемой, стоящей на повестке дня практически всех стран мира. Выбросы NOx являются одним из наиболее важных загрязнителей, вызывающих загрязнение воздуха и изменение климата. Выбросы NOx относятся к наиболее эффективному классу загрязняющих веществ наряду с твердыми частицами и озоном. Все виды источников, в которых горение происходит при высоких температурах (двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, электростанции, промышленность и т. д.), создают выбросы NOx, и 95% выбросов NOx приходится на эти источники.
По сравнению с другими загрязнителями воздуха выбросы оксидов азота (NOx) играют важную роль в изменении климата, и особенно дизельные автомобили являются одним из наиболее важных источников образования загрязнителей NOx. Чем опасны выбросы оксидов азота NOx? Оксиды азота – два образования, являющиеся наиболее значительными загрязняющими веществами, производимыми людьми (антропогенными).
Сторонники экологии сказали бы, что это относится только к оксиду азота (NO) и диоксиду азота (NO2), но большинство из них также включают в это описание оксид азота (N2O). Есть и другие варианты, но их концентрация в атмосфере слишком мала.
Почему образуются газы NOx? Существуют три основные причины выбросов NOx: Высокотемпературное сжигание топлива, когда температура достаточно высока (примерно выше
2000°C) для окисления части азота в воздухе до газов NOx.
При сжигании любого растительного материала выделяются оксиды азота, так как все растения содержат азот.
Химические и промышленные процессы, в которых используется азотная кислота, нитраты или нитриты, будут выделять газы NOx.
В чем разница в сгорании между дизельным двигателем и бензиновым двигателем? В бензиновом/бензиновом двигателе в камеру впрыскивается смесь топлива и воздуха. Он сжимается, а затем воспламеняется свечой зажигания.
В дизельном двигателе воздух впрыскивается в цилиндр и сжимается примерно в два раза сильнее, чем в бензиновом двигателе. Это сжатие вырабатывает тепло, так что дизельное топливо самовозгорается при впрыске. Дизельные двигатели производят больше NOx, чем бензиновые, т.к. работают при более высоких температуре и давлении, чем бензиновые двигатели. Эти условия благоприятствуют образованию газов NOx. Количество зависит от объема и продолжительности самой горячей части пламени.
Транспорт с дизельным двигателем более экономичен, чем транспорт с бензиновым двигателем, за счет производства большего количества энергии для данного объема (дизельное топливо имеет более низкую теплотворную способность, но более высокую плотность, чем бензин/бензин). Кроме того, более высокая температура сгорания в дизельном двигателе делает его более эффективным. Тепловые двигатели могут производить больше полезной работы, если они работают при более высоких температурах.
2. Факторы негативного воздействия NOx
Выбросы NOx называются оксидами азота и обычно представляют собой монооксид азота (NO) и диоксид азота (NO2). Выброс NO представляет собой бесцветный газ без запаха, ядовитый для человека. Газ NO2 представляет собой высокореакционный газ красно-коричневого цвета с удушливым запахом и высокими окислительными свойствами. По сравнению с газом NO токсическое действие газов NO2 в 5 раз выше.
Воздействие выбросов NOx на здоровье человека достигает пугающих масштабов. Сегодня за проблемами, на которые жалуются многие люди, стоят выбросы загрязняющих веществ и особенно выбросы NOx. Отчет Европейского агентства по окружающей среде (ЕАОС), опубликованный в 2017 году, показывает степень загрязнения воздуха и угрозу глобального потепления, вызванную выбросами NOx. В этом отчете указано, что выбросы NOx в 2014 г. стали причиной преждевременной смерти около 80 000 человек в Европе.
Воздействие газов NOx на здоровье человека прямо пропорционально плотности и периоду вдыхания. Низкие скорости или кратковременное вдыхание выбросов NOx могут вызвать проблемы со здоровьем, такие как раздражение глаз и горла, стеснение в груди, тошнота, головная боль и упадок сил. Длительное или большое воздействие газов NOx вызывает сильный кашель, затрудненное дыхание, астму, цианоз, а иногда даже приводит к летальному исходу. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) утверждает, что 80% заболеваний легких и рака легких вызваны загрязнением воздуха, особенно NOx. Исследование показало, что выбросы NOx вызывают преждевременные роды в результате астмы у беременных женщин.
Дождь очень эффективно удаляет из атмосферы оксид азота NO2. Однако при контакте газообразного NO2 с водой образуются азотистая кислота (HNO2) и азотная кислота (HNO3), которые обладают очень коррозионным действием. Это приводит к кислотным дождям, которые особенно вредны для растений. Помимо кислотных дождей, сочетание выбросов NO2 совместно с выбросами углеводородов УВ приводит к образованию фотохимического смога.
3. Физико-химические процессы образования NOX в дизельных двигателях
Автомобильный транспорт занимает первое место среди источников образования выбросов NOx. Благодаря высокому эффективному КПД (низкому расходу топлива) дизельные двигатели с широким спектром применения в транспортном секторе имеют повышенный уровень выбросов NOx.
Существует три различных механизма образования NOx в дизельных двигателях: мгновенные(быстрые) NOx, топливные NOx и тепловые NOx [1,2,3]. Быстрое образование NOx происходит из-за быстрых реакций между радикалами азота, кислорода и углеводородов. В случае присутствия азота в топливе азот, содержащийся в топливе, реагирует с кислородом, и этот механизм определяется как топливный NOx. В термическом механизме NOx азот и кислород реагируют при высоких температурах и вызывают образование NOx.
Термический механизм образования NOx обычно рассматривается как основной источник образования NOx в дизельных двигателях. Приведенная ниже модель Зельдовича [5] объясняет этот механизм:
1. O + N2 ↔ NO + N
2. N + O2 ↔ NO + O
3. N + OH ↔ NO + H
Выбросы NO, образующиеся в результате реакции (1)–(3), могут быть преобразованы в NO2 или обратно в форму NO с помощью следующих реакций.
4. NO + H2O ↔ NO2 + OH
5. NO2 + O ↔ NO + O2
Температура и содержание кислорода являются двумя основными параметрами, влияющими на механизм образования NOx. Дизельные двигатели работают на бедных смесях, имеющих высокие коэффициенты избытка воздуха. Таким образом, в камере сгорания находится больше кислорода, чем необходимо для сжигания топлива.
Когда температура горения (в локальных областях камеры сгорания) топливно-воздушной смеси достигает примерно 2000°C, газообразный N2 вступает в реакцию с кислородом с образованием NO. При повышении температуры увеличивается и процентное содержание NOx.
На образование выбросов NOx влияют термодинамические условия, скорость реакции горения, время, в течение которого газы подвергаются воздействию высокой температуре. Что в свою очередь зависит от параметров топливоподающей системы (давление впрыска, угла опережения впрыска, конструкции топливной форсунки), геометрии камеры сгорания.
Химические реакции, которые происходят при горении дизельного топлива, могут быть описаны химико-кинетическими механизмами. Они определяют, путь протекания реакции, скорость протекания реакции, которые приводят к изменению концентрации веществ.
Для нахождения скорости протекания реакции нужно определить константу скорости реакции, для этого нужно воспользоваться уравнением Арениуса (6) которое показывает взаимосвязь между энергией активации, предэкспоненциальным коэффициентом и абсолютной температурой.
6. k = Ae-Ea / RT,
где k - постоянная скорости, A - предэкспоненциальный множитель, Ea - энергия активации реакции на моль реагентов, R - универсальная газовая постоянная, T обозначает абсолютную температуру реакции в Кельвинах (K).
В дизельных двигателях подавляющее большинство (80–85%) выбросов NOx, образующихся в результате сгорания, находятся в форме NO. Почти все образование NOx происходит в течение 20 градусов угла поворота коленчатого вала после начала сгорания.
Влияние эффекта вихревого движения и турбулентности на образование NOx
Известно, что процесс окисления азота практически не оказывает влияние на протекание основных химических реакций горения и на аэродинамических характеристиках факела. Поэтому процесс расчета образования оксидов азота NO можно проводить в два этапа:
1) непосредственный численный расчет диффузионного турбулентного горения;
2) нахождение решения уравнения переноса;
Для концентрации оксидов азота на основе полученных распределений температуры, концентраций реагирующих компонент и их пульсаций.
Основным вопросом при проведении подобного рода расчетов, по-прежнему, остается выбор адекватной модели турбулентности, модели, позволяющей оценить скорость реакции в турбулентном потоке, и модели образования оксидов азота.
Что касается моделей образования оксидов азота в пламени, то к основным механизмам образования NOx можно отнести:
а) тепловой механизм (схема Зельдовича);
б) радикальный механизм (образование NOx за счет так называемых быстрых реакций); в) механизм образования NO за счет азотосодержащих соединений в топливе.
Большинство расчетов образования оксидов азота проводится в рамках модели Зельдовича, когда образование NO связывается с протеканием трех основных реакций, а концентрация атомарного кислорода находится из условий равновесия. Более детальное рассмотрение кинетики химических реакций и подробный учет кинетической схемы приводит к значительному усложнению задачи.
Тема: Особенности деактивации EGR дизелей BMW B47 и B57 (Прочитано 7059 раз)
