Моделирование процесса сгорания в ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия

УДК 621.436

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ДВС С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА ОТ СЖАТИЯ

В.Г. Камалтдинов, Е.В. Абелиович, А.С. Теребов

Разработана модель процесса сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания, основанная на уравнениях химической кинетики и учитывающая динамику изменения параметров рабочего тела. Введен новый параметр - условная продолжительность реакции окисления молекулы топлива. Произведена серия расчетов рабочего цикла двигателя с воспламенением гомогенного заряда от сжатия при использовании в качестве топлива диметилового эфира и метана.

Процесс сгорания - основной процесс в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), от которого зависит большинство его параметров. Моделирование этого процесса позволяет выявлять закономерности его протекания и на их основе совершенствовать существующие и прорабатывать новые способы организации рабочего процесса.

Все известные модели процесса сгорания можно разделить на следующие основные группы:

- модели, в которых тепловыделение описывается предварительно заданным законом в функции от времени или угла поворота коленчатого вала;

- модели, описывающие детальную химическую кинетику процесса сгорания;

- модели, основанные на общем законе химической кинетики с применением уравнения Аррениуса.

К первой группе относятся простые и практичные модели процесса сгорания, из которых наибольшую известность и распространение получила модель И.И. Вибе [1]. В моделях этой группы не принимается во внимание реальное изменение параметров рабочего тела (давления, температуры и концентраций реагирующих веществ) в течение процесса сгорания.

Ко второй группе относятся модели, рассматривающие процесс окисления топлива кислородом воздуха как совокупность огромного числа химических реакций с образованием промежуточных веществ. Для каждой из таких реакций определены свои конкретные константы скорости реакции, энергии активации и концентрации реагирующих веществ. Например, схема химических процессов для описания объемной реакции метана с кислородом содержит 270 обратимых реакций с участием 43 компонентов [2], а кинетическая схема окисления изооктана составлена из 1303 реакций и 324 компонентов [3]. Модели этой группы очень трудно реализовать в практическом инженерном расчете, так как потребуются большие вычислительные мощности и высокая квалификация обслуживающего персонала.

К третьей группе относятся модели, описывающие процесс сгорания в общем виде и учитывающие такие важные физические параметры, как температура рабочего тела и концентрации топлива и кислорода [4]. В то же время в моделях этой группы отсутствует непосредственный учет инертных компонентов (азота, продуктов сгорания и др.), которые, как известно, замедляют процесс сгорания. В них остается неопределенной периодичность изменения количества прореагировавшего топлива или скорости реакции по текущим параметрам топливно-воздушной смеси при постоянно уменьшающейся концентрации топлива и кислорода и значительном росте температуры.

Этих недостатков лишена предлагаемая модель процесса сгорания, которая представляет собой дальнейшее развитие модели процесса самовоспламенения топлива в дизеле [5]. Особенностью модели является введение нового параметра - условной продолжительности реакции окисления молекулы топлива г,,. Она определяется как интервал времени, в течение которого

полностью прореагируют активные молекулы топлива ZE, имеющие энергию больше условной средней энергии активации для процесса окисления Е .

Выражение для определения условной продолжительности реакции окисления топлива имеет вид:

Камалтдинов В.Г., Абвлиович Е.В., Теребов А.С. Моделирование процесса сгорания в ДВС

______________________________________________с воспламенением гомогенного заряда от сжатия

ZT V

Ф =----------L------—---------------- / ] \

у const-V-Cj  Сч02 const--Zq02 где ZT - общее количество молекул топлива в рассматриваемом объеме V цилиндра двигателя; СТ -ZTIV и С02 = Z02IV - концентрации молекул топлива Zr и кислорода ZQ2 в объеме V соответственно; р, q — показатели степени, причем p + q = п — кинетический порядок реакции, п = 2.

Выражение (1) получается из общего уравнения скорости химической реакции

= 1 W~v' dr’

где dN - изменение количества вещества в результате реакции; dr - интервал времени.

Для этого процесс сгорания представляется как совокупность промежуточных стадий окис-

ления dN = ZE =Zr-e RT количества молекул топлива, происходящих за интервал времени dr -ту при температуре смеси Т . А мгновенная скорость окисления принимается по общепри-

Jy.

нятому выражению w = const- е RT • Cf • Счог.

Условно постоянные величины р и q, зависящие от степени влияния концентраций топлива и кислорода на скорость сгорания, определяются на основании обработки экспериментальных данных по сгоранию конкретного топлива.

Для моделирования влияния на процесс окисления инертных компонентов, продуктов сгорания и турбулентности внутри камеры сгорания константу в выражении (1) предлагается разделить на три составляющие: const = Ct • С2 • С3,

где С, - константа, учитывающая количество активных соударений молекул реагирующих веществ в единицу времени в единице объема; С2 - коэффициент, учитывающий влияние инертных составляющих рабочего тела и продуктов сгорания через долю количества молекул кислорода в общем количестве молекул рабочего тела; С3 - коэффициент, учитывающий турбулентность внутри камеры сгорания.

Тогда выражение (1) примет вид:

Т —---------------:----- .

у Г Г Г 7Р~1 74 М '1-'2 '^3 Т 02

Из выражения (2) видно, что условная продолжительность реакции окисления топлива т.. определяется мгновенными параметрами топливно-воздушной смеси, константой С, и коэффициентами С2 и С3.

При допущении неизменности параметров топливно-воздушной смеси за рассматриваемый интервал времени dt количество прореагировавших молекул топлива dZt можно определить по выражению

dZj = — • dt. h

Тогда масса прореагировавшего топлива за этот интервал времени dt будет

Z

dmCi=dZr^T-A0=^r-A<j--L--dt>

где цт - молярная масса топлива; А0 = 1,66-1 (Г27 кг- атомная единица массы.

С учетом выражения (3) количество теплоты, выделившееся при сгорании этой массы топлива, будет

Zv

dQCc, = dmcs • Ни - Ни-fy-Ab-e-dt,

ту

Расчет и конструирование

где Ни - низшая теплота сгорания топлива.

Отсюда получаем искомую характеристику тепловыделения во времени:

0* = иосг = ни-Мг-А,. \^-л = ни Мт-а1}- \г' 'е ю -а.

ТУ ТУ

Известно, что каждой из последовательности многочисленных химических реакций в процессе сгорания индивидуального углеводорода соответствует своя величина энергии активации. В то же время экспериментально установлено, что энергия активации низкотемпературного процесса меньше, чем при высоких температурах [6].

На основании этого сделано предположение, что условная средняя энергия активации Еу в течение процесса

сгорания увеличивается за счет изменения механизма окисления. Поэтому в данной модели процесса сгорания за начальное значение принимается энергия активации, соответствующая процессу воспламенения, с дальнейшим увеличением по мере роста температуры смеси.

Предлагаемая модель процесса сгорания отработана при расчете рабочего цикла одноцилиндрового дизеля 1415/16 на пусковых режимах при моделировании внешнего смесеобразования и факельного подогрева впускного воздуха. Полученные результаты показали хорошую сходимость с экспериментальными данными [7].

Для моделирования рабочего цикла ДВС с объемным самовоспламенением гомогенного заряда (НСС1 процесс) за рубежом широко применяются однозональные модели (с одинаковыми давлениями, температурами и концентрациями по всей камере сгорания), которые дают достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных по давлениям, температурам в цилиндре двигателя и его индикаторным показателям [8]. Поэтому на основании представленной модели процесса сгорания разработана также однозональная модель расчета рабочего цикла ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия.

В качестве топлива были выбраны диметиловый эфир (СН3ОСН3) и метан (СН4). Диметиловый эфир представляет интерес как контролирующий агент в НСС1 двигателях и как альтернативное топливо.

Сравнение результатов расчета рабочего цикла ДВС по предлагаемой модели с экспериментальными данными приведено на рисунке. Расчетные давления в цилиндре ДВС для диметилового эфира удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными [9] в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха а (от 4 до 10).

Расчетные давления в цилиндре ДВС по предлагаемой модели для метана меньше отличаются от экспериментальных, чем расчеты авторов статьи [10].

На основании полученных результатов можно сделать следующий вывод.

Предлагаемая модель процесса сгорания в ДВС с объемным воспламенением гомогенного заряда от сжатия, учитывающая основные физико-химические свойства уг-леводородов, удовлетворительно описывает сгорание раз-

Расчетные и экспериментальные [9,10] кривые давления при гомогенном самовоспламенении диметилового эфира и метана от сжатия в ДВС

Камалтдинов В.Г., Абелиович Е.В., Теребов А.С. Моделирование процесса сгорания вДВС

_______________________________________________с воспламенением гомогенного заряда от сжатия

личных топливно-воздушных смесей на основе диметилового эфира (кислородосодержащего топлива) и метана (с добавлением 1% пропана). Это позволит перейти к расчету рабочего цикла ДВС, работающего на смеси нескольких топлив.

Представленная работа выполнена при финансовой поддержке гранта Губернатора Челябинской области (договор № Г2007366).

Литература

1. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателей / И.И. Вибе. - М. - Свердловск: Машгиз, 1962.-271с.

2. Даутов, Н.Г. К вопросу о выборе кинетической схемы при описании объемной реакции метана с воздухом / Н.Г. Даутов, А.М. Старик // Кинетика и катализ. - 1997. - Т. 38. - № 2. -С. 207-230.

3. Rami, Е. A wide-range modeling study of iso-octane oxidation / E. Ranzi, T. Faravelli, P. Gaffuri, A. SogaroAndrea D’Anna, A. Ciajolo // Combustion and Flame. - 1997. -V. 108. - P. 24-42.

4. Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях /7 Р.З. Кавтарадзе. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.

5. Камалтдинов, В.Г. Самовоспламенение топлива в дизеле на пусковых режимах / ВТ. Камалтдинов, А.М. Шитиков // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: темат. сб. науч. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1986. - С. 63-67.

6. Свиридов, Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях / Ю.Б. Свиридов. - Л.: Машиностроение, 1972. -224 с.

7. Расчет рабочего цикла форсированного транспортного дизеля типа 2В на режимах

холодного пуска / В.Г. Камалтдинов, Т.С. Камалтдинова, П.В. Никонов, Е.В. Абелиович // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: труды

международной научно-практической конференции. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. -С. 336-340.

8. Aceves, S.M. HCCI combustion: analysis and experiments / S.M. Aceves, D. Flowers, J. Martinez-Frias, R. Smith, R. Dibble, M. Au, J. Girard//SAE Paper 2001-01-2077.

9. Lim, О. T. The effects of inhomogeneity in DME/n-butane-air mixture in combustion chamber on homogeneous charge compression ignition combustion / O.T. Lim, S. Ketadani, K. Kumano, N. Iida// ISAFXVInternational Symposia on Alcohol Fuels. - 2005.

10. Fiveland, S.B. Experimental and simulated results detailing the sensitivity of natural gas HCCI engines to fuel consumption / S.B. Fiveland, R. Agama, M. Christensen, B. Johansson, J. Hiltner, F. Mauss, D.N. Assanis //SAE Paper 2001-01-3609.