Навигация
Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания
33843
знака
1
таблица
6
изображений
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 NO может 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 NO уже 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 NO2 по 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,a приведены 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 NOX в 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.
В дизелях также наблюдается заниженное содержание продуктов окисления в пробах газа, отобранных в зоне слоя, расположенного около стенки цилиндра. На рис. 6 приведена зависимость различных компонентов в пробе газа, отбираемой из цилиндра дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания в поршне, от объема пробы за цикл. Изменение концентрации NОХ имеет такой же характер, как и для двигателей с электрическим зажиганием.
Все проведенные исследования по образованию NОХ в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания подтверждают термический характер данной реакции.
В последние годы были высказаны предположения о том, что образование окиси азота может происходить во фронте пламени, в котором наблюдаются концентрации атомарного кислорода (О) и гидроксильного радикала (ОН), на несколько порядков превышающие равновесные в зоне продуктов сгорания. Однако для условий сгорания в двигателях, в цилиндрах которых температура продуктов сгорания в процессе сгорания повышается также в результате "поджатая" сгоревших элементов заряда, образование NО во фронте пламени незначительно влияет на общее выделение N.
Расчетные данные образования NO в цилиндре двигателей по двум реакциям цепного механизма (через О и N) и реакции бимолекулярного механизма по равновесным концентрациям О2 и О в зоне продуктов сгорания достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Это также является подтверждением того, что в основном NO в цилиндре двигателей образуется в зоне продуктов сгорания по термическому механизму (при работе на топливах без содержания азотистых соединений).
Сера, которая содержится в автомобильном топливе, во время горения интенсивно окисляется до двуокиси серы по способу, похожему на механизм образования СО. Двуокись серы может окисляться (с намного меньшей скоростью) до SO3 по следующему уравнению:
SO2+0,5O2→SO3(21)
Далее происходит реакция SO3 с парами воды, приводящая к образованию H2SO4, которая протекает на стенках при температуре ниже 815К.
Свинец в составе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов) присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются по сходному механизму образования сажи.
Альдегиды RCHO
В дизелях альдегиды образуются в период предпламенных реакций, протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию, когда процесс окисления протекает при низких температурах (их называют также холодным пламенем). Альдегиды и пероксиды (перекиси) являются типичными продуктами этих реакций. При образовании альдегидов выделяется тепло. В процессе самовоспламенения топлива они активной роли не играют. Как в дизелях, так и в двигателях с искровым зажиганием могут образоваться альдегиды, если часть процесса сгорания протекает при низких температурах, что наблюдается при охлаждении горящей смеси сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания, или при сгорании очень обедненной смеси, характерной для малых нагрузок у дизеля, или сгорание последней порции топлива в бензиновых двигателях, или в конце процесса сгорания в двигателях с послойным смесеобразованием. В процессе сгорания, происходящем при высоких температурах, альдегиды могут сгорать.
Заключение
Я думаю, что когда немецкие изобретатели Г.Даймлер и К.Бенц сделали и запатентовали первый автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, они не думали к каким серьезным экологическим проблемам придет их детище. В идеале при полном сгорании углеводородного топлива, в частности бензина, конечными продуктами должны являться углекислый газ и водяные пары. Но, к сожалению, в реальной жизни полного сгорания добиться пока технически невозможно. Кроме того, любое топливо содержит множество добавок, которые отнюдь не улучшают свойства отработанных газов.
Количество и состав отработанных газов определяются и конструктивными особенностями автомашин, режимом работы их двигателей, техническим состоянием, качеством дорожных покрытий, метеоусловиями. Особенность работы автомобильных двигателей - переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы: холостой ход, разгон, установившееся движение и торможение.
Но меры, направленные на улучшение экологической обстановки все же предпринимаются. Правительство Российской Федерации одобрило специальный технический регламент <О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ> (ПОСТАНОВЛЕНИЕ от 12 октября 2005 г. N 609(в ред. Постановления Правительства РФ от 27.11.2006 N 718). В соответствии с регламентом вводятся экологические классы указанной техники, в зависимости от уровня выбросов вредных веществ; определены сроки введения в действие в отношении выпускаемой в обращение на территории РФ нормативов автомобильной техники: экологического класса 2 (ЕВРО-2) - с даты вступления в силу данного Регламента, экологического класса 3 (ЕВРО-3) - с 1 января 2008 года, экологического класса 4 (ЕВРО-4) - с 1 января 2010 года, экологического класса 5 (ЕВРО-5) - с 1 января 2014 года.
Одновременно устанавливаются основные технические требования к характеристикам бензина и дизельного топлива, позволяющие обеспечить введение вышеперечисленных экологических классов автомобильной техники.
Также широкое применение в настоящее время нашли нейтрализаторы. Они бывают разных видов и различаются по назначению, конструкции и механизмам действия. Я считаю, это существенный и эффективный шаг по снижению токсичности отработавших газов на автомобильном транспорте.
Будем верить, что в ближайшем будущем будет предприняты все вышеперечисленные методы по улучшению экологической обстановки. Желательно, чтобы все эти методы были приведены в действие в комплексе, ибо как мы знаем из медицины только комплексное лечение дает существенные результаты по улучшению здоровья больного, в нашем случае матушки-Земли.
Список используемой литературы
1. Кульчикий А.Р. "Токсичность автомобильных и транспортных двигателей", 2004г.
2. Лукашин В.Н., Трофименко Ю.В. "Промышленно-транспортная экология", 2001г.
3. Звонов В.А. "Токсичность двигателей внутреннего сгорания", 1981г.
Похожие работы
... составов альтернативных топлив и предсказания их физико-химических свойств, что позволит довести рабочий процесс двигателя при использовании новых альтернативных топлив. Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что развитие перехода на новые виды топлива будет проходить три основных этапа. На первом этапе будет использоваться стандартное нефтяное топливо, спирты, добавки водорода и ...
... в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5... 0,85 кг оксидов свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного ...
... 30 марта 2002 года президент России подписал постановление совета безопасности РФ о “Приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации, среди которых – “экология и рациональное природопользование”. Анализ причин повышенной токсичности автотракторных двигателей. Токсичными выбросами ДВС являются ОГ и КГ. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с ...
... мощности мотора, поэтому пока ни один современный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь некоторые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей В дизельном двигателе (рис.10) топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей ...
0 комментариев