Методы уменьшения выбросов загрязняющих веществ

В настоящее время для уменьшения выброса ЗВ разрабатываются новые конструкции камер сгорания, позволяющие оптимизировать их работу на различных режимах работы двигателя, а также производится модификация существующих камер сгорания.

1) Модификация существующих камер сгорания осуществляется, главным образом, за счет улучшения распыливания топлива в камере и ускорения смешения топлива с воздухом. Это может быть достигнуто за счет применения пневмофорсунок (с предварительным смешением топлива с воздухом), применением устройств для предварительного испарения топлива, подогревом топлива и др. За счет указанных мероприятий можно снизить эмиссию СH на порядок, эмиссию СO в несколько раз, а также существенно уменьшить эмиссию NO_х и обеспечить бездымность выхлопа.

2) Применение двухзонной вихревой камеры сгорания, в которой зоны горения могут располагаться последовательно или параллельно в два яруса. Камера с последовательным расположением зон (рис. 8.2) имеет первую ступень, работающую на режиме малого газа, и вторую ступень, работающую на максимальном и промежуточных режимах. На режиме малого газа топливо подается только в зону малого газа. На повышенных режимах включается подача топлива в основную зону через форсунки, расположенные в выходном сечении зоны малого газа.

Воздух в основную зону поступает через завихрители, расположенные на наружной и внутренней стенках жаровой трубы. Применение таких завихрителей ускоряет перемешивание топлива с воздухом, что обеспечивает быстрое сгорание бедной смеси в основной зоне, уменьшает время пребывания горючей смеси в камере сгорания, что приводит к выравниванию температуры по длине камеры и устранению зон с наиболее высокой температурой, к существенному уменьшению выброса NO_х (примерно на 40¸50%).

На рис. 8.3 показана двухъярусная камера сгорания, имеющая две параллельные зоны горения. На пониженных режимах работает только внешний ярус - зона малого газа, а на повышенных режимах работают оба яруса, причем большая часть топлива подводится во внутренний ярус - в основную зону горения. Такая камера позволяет существенно снизить содержание СО, СH и NO_х по сравнению с обычной камерой сгорания (по опытам фирмы PW соответственно на 69,93 и 41%).

Рис. 8.2. Камера с последовательным расположением зон

1 - форсунки зоны малого газа, 2 - зона малого газа, 3 - форсунки основной зоны, 4 - основная зона

Рис. 8.3. Схема двухъярусной камеры сгорания: 1, 2 - форсунки соответственно первого и второго ярусов, 3 - воспламенитель

Весовое количество NO_х зависит также от температуры и давления на входе в камеру сгорания (Т ^*_к и соответственно р ^*_к) и температуры газа Т ^*_г. С ростом Т ^*_к, р^*_к и Т ^*_г выброс NO_х из двигателя увеличивается (рис. 8.4 и 8.5). Практически можно считать, что весовое содержание NO_х пропорционально .

Рис. 8.4. Зависимость содержания NO_х от температуры газа на выходе из камеры сгорания Т ^*_г,для различных камер сгорания

Рис. 8.5. Зависимость NO_х от температуры воздуха на входе в камеру сгорания Т ^*_к,для различных камер сгорания

Зависимости содержания NO_х от времени пребывания топливо-воздушной смеси в начальной зоне горения t при различных α, полученные в НИЦ им. Льюиса (NASA), приведены на рис. 8.6. Видно, что содержание NO_х возрастает с уменьшением α и с увеличением t. В современных камерах сгорания t≈2¸4 миллисекунды.

Главными причинами образования NO_х является неравномерное распределение топлива по объему камеры сгорания и недостаточно эффективное смешение паров топлива с воздухом. Это способствует образованию местных зон высокой температуры в зоне горения и повышению содержания NO_х. Уменьшить содержание NO_х можно также путем некоторого увеличения скорости движения газа в камере сгорания с целью более интенсивного охлаждения газа в зоне горения. Но это приводит к увеличению гидравлических потерь и снижению s^*_кс.

Из рис. 8.6 видно, что переход к бедным смесям в зоне горения перспективен, но это требует того, чтобы смесь должна быть заранее подготовлена в предкамере, где осуществляется тщательное перемешивание топлива с воздухом. Однако это приводит к тому, что камера сгорания будет работать на режиме близком к срывному.

На содержание NO_х оказывает влияние влажность воздуха. Увеличение влажности воздуха снижает содержание NO_х в области горения.