Расчеты горения и расширения в газовом двигателе с помощью интерактивной программы gas2-dws

УДК 621.436

РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ В ГАЗОВОМ ДВИГАТЕЛЕ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРАКТИВНОЙ ПРОГРАММЫ GAS2-DWS

С.А.Чесноков, Ле Дай Лам, С.Э. Лукин

Рассмотрены особенности применения интерактивной программы типа GAS2 для решения тестовых задач при расчетах горения и расширения в газовых двигателях внутреннего сгорания. Получены результаты по содержанию токсичных компонентов.

Ключевые слова: газовый двигатель, коэффициент избытка воздуха, горение и догорание, интерактивная программа решения на ЭВМ.

В предыдущей статье получены поля коэффициента избытка воздуха в камере сгорания (КС) с помощью которых можно рассчитать процесс горения - поля температур и содержания компонентов продуктов сгорания, включая токсичные оксиды NO и CO. Двухмерная постановка задач позволяет на порядок быстрее, чем в трехмерных задачах, получить тестовые решения, отвечающие на конкретные вопросы выбора и расположения элементов конструкции.

Ниже рассмотрено применение двухмерной интерактивной программы GAS2-DWS, разработанной на основе программы GAS2 [1]. В качестве объекта исследования выбран двигатель легкового автомобиля типа Mitsubishi Galant GDI, конвертированный для газового топлива.

Основные параметры двигателя: горючее - природный газ (метан);

3 3

рабочий объем цилиндра - 0,440" м ; его диаметр - 0,08 м; степень сжатия - 12; номинальные обороты коленчатого вала - 3000 об/мин; средний коэффициент избытка воздуха в камере сгорания - 1,5; измеренное в экспериментах время горения - 1,2 мс.

1. Расчеты горения в камере сгорания

Расчеты горения в ДВС на уровне задач тепломассообмена позволяют получить не только параметры рабочего процесса двигателя - давление, температуру, плотность газа в цилиндре, но и более глубокую информацию: турбулентные поля скорости и концентрации компонентов смеси при горении и расширении, в том числе поля токсичных компонентов - оксидов углерода и азота.

При моделировании горения топлив в камере сгорания (КС) ключевое значение имеет значение турбулентной скорости горения uT = l / тГ, где l - путь фронта горения; тГ - время горения. Для двигателя GDI l = 0,05

м. Время горения определялось при спектрометрии ДВС [2] по продолжительности излучения радикала ОН: тГ = 1,2 мс для п = 3000 об/мин. Таким образом, средняя турбулентная скорость горения составляет ит ~ 40 м/с.

Помимо выгорания топливной смеси движение фронта ¥ (рис. 1) зависит от температурного расширения зоны продуктов сгорания 1, поскольку ее температура значительно выше, чем горючей смеси 2. Это приводит к ускорению движения фронта, особенно в начале горения, когда объем сжимаемой свежей горючей смеси еще велик и противодействие ее давления мало. Расчеты движения фронта в монографии [3] показывают, что его суммарная скорость и¥ меняется от ~ 60 до ~ 30 м/с. В программе эта зависимость задается линейной.

Если рассматривать движение потоков относительно фронта горения, то набегающий на фронт поток свежей горючей смеси имеет скорость ит, а скорость оттока горячих продуктов от фронта УОТ в несколько раз больше из-за температурного расширения. Отток продуктов формирует турбулентное поле скорости в зоне 1, где наблюдается догорание перемешивающихся струй с преобладанием горючих компонентов, например, оксида СО, и струй с избытком кислорода О2, а также его радикалов О, ОН и т. п.

Рис. 1. Камера сгорания двигателя GDI Mitsubishi Galant:

1 - продукты горения; 2 - горючая смесь; F - фронт горения;

3 - электросвеча

При этом токсичный оксид СО превращается в безвредный углекислый газ СО2, кроме того, при высоких температурах развивается сравнительно медленный процесс окисления азота воздуха с образованием токсичного оксида NO. Процесс турбулентного конвективно-диффузионного перемешивания продуктов оттока и происходящих при этом химических

реакций догорания назван химическим турбулентным тепломассообменом (ХТТ) и детально описан в работе [3].

По мере движения фронта в неоднородном поле коэффициента избытка воздуха а камеры сгорания местные значения скорости горения, скорости оттока, температуры горения (фронта) и состав продуктов горения (зависящие от а) изменяются. В монографии [3] показано, что при неоднородности поля избытка воздуха Да = атах - ат;п < 0,3 геометрия фронта близка к сферической. Отметим, что скорость оттока достигает 50...100 м/с, поэтому будем считать, что циркуляция горючей смеси перед зажиганием (со скоростью ~10 м/с) не влияет на поле скорости образовавшихся продуктов сгорания в зоне 1.

В исходных данных программы GAS2-DWS скорость движения фронта, скорости оттока и температура фронта задаются в виде кусочнолинейных аппроксимаций во времени процесса горения по данным [3].

Рассмотрим особенности химических реакций горения. Внутри фронта, при быстром горении, текущий состав смеси является существенно неравновесным. Это требует решения громоздких задач химической кинетики горения.

На выходе фронта, при высокой температуре горения (до 3000 К) состав продуктов сгорания устанавливается равновесным.

За фронтом, при турбулентном перемешивании струй оттока различного состава (горючих и окисляющих) и более низких температурах, инициируются лишь медленные реакции догорания, приводящие к постепенной перестройке равновесного состояния в каждой точке КС («дрейф равновесия»). Исключением являются очень медленные и поэтому не уравновешенные реакции образования токсичного оксида N0 из инертного газа - азота воздуха.

В настоящее время общепринятым является кинетический механизм образования оксида N0 акад. Зельдовича: к1

N2 + О « N0 + N N + О2 « N0 + 0; N + ОН « N0 + Н.

к2

Анализ результатов кинетических расчетов в монографии [3] показал, что основными, активно реагирующими компонентами, являются радикалы О и ОН. Поэтому в дальнейшем анализируются поля N0, С0, 0, 0Н.

Равновесные концентрации (доли) любого компонента (радикала) определяются температурой, давлением и коэффициентом избытка воздуха. Они легко вычисляются по известным типовым программам.

Поля компонентов продуктов сгорания формируются под влиянием

182

температуры, конвективного переноса и турбулентной диффузии. Радикалы, в отличие от молекул, образуются и исчезают в очень быстрых реакциях, скорость которых сильно зависит от температуры. Поэтому их локальное содержание определяется, в основном, температурой, а не конвективным переносом или диффузией.

Для тестового решения выберем вариант расположения газовой форсунки со стороны впускного клапана. В этом случае поле коэффициента избытка воздуха а перед зажиганием является слабо неоднородным и, в первом приближении, будем считать его однородным при среднем значении аСР = 1,4.

В итоге, из трех параметров, определяющих равновесный состав радикалов: температуры, давления и коэффициента избытка воздуха, необходимо учитывать нестационарное поле температур и изменяющееся давление в цилиндре при постоянном аСР. Поэтому, получаемые с помощью программы GAS2 линии одинаковых температур (изотермы), прямым образом отражают рельеф полей содержания радикалов. Более того, каждая изотерма является одновременно изолинией равновесной доли содержания любого компонента (кроме N0). Эти изолинии в дальнейшем будем называть изодолями (массовыми или мольными).

Неравновесное изменение доли оксида азота xNO потребовало расчета кинетики N0 для характерных точек КС по формуле Звонова В. А.:

^ = 2к NЛ dт 1 2

Г , Л2Л

1 _ | '*№

V V NO у

V 4 у У

Здесь: т - время; k1 - константа скорости ведущей реакции; N2, O, NO -равновесные доли компонентов. В качестве начального условия задано нулевое значение доли xNO на выходе фронта.

При температурах < 2400 К реакции образования и распада оксида N0 замедляются настолько, что его доля остается неизменной - «замораживается». Аналогичный эффект наблюдается при догорании СО - его содержание «замораживается», если температура падает ниже 1500 К (в выпускной магистрали).

На рис. 2 представлены турбулентные поля скорости за фронтом пламени, в зоне продуктов сгорания. При расчетах, по данным монографии [3], считались заданными сферическая форма «средней линии» турбулентного фронта, скорость его движения, а также скорости, температуры и плотности струй оттока. В верхней части КС формируется вихревая зона с вращением против часовой стрелки, что обусловлено преобладающим влиянием струи оттока участка 1 фронта.

На рис. 3 приведены изотермы поля температур и совпадающие с ними изолинии мольных долей равновесного содержания радикалов (изодоли). При давлении свежей смеси перед зажиганием ~ 3 МПа в конце горения давление составляет ~ 7 МПа.

Значения мольных долей радикалов, указанные под рисунками, рассчитаны как равновесные для температуры изотермы, текущего давления в КС и среднего коэффициента избытка воздуха в объеме КС. Результаты этих расчетов для середины периода горения являются приближенными, так как перемешивание неоднородной по избытку воздуха смеси еще не закончено и использовать средний коэффициент избытка воздуха для всех точек поля решения не правомерно.

Скорость

м/с

1.18070+02 Ь 9.4551е+01

7.1032е+01 4.751 Зе+01 2.3995Є+01

Скорость

м/с

1.1807е+02

I 9.4551 е+01 7.1032е+01 4.751 Зе+01 I 2.3995е+01

б

Рис. 2. Поля скорости в КС для середины (а) и конца (б) горения: £ - точка зажигания; 1, 2, 3 - участки фронта горения

а

б

Рис. 3. Изотермы в КС и общие с ними изодоли содержания радикалов (%) для конца горения в последовательности Т/N0/ СО/ О/ ОН: а - изолиния 1 - 3000К/1,32/1,24/0,46/1,61; 2 -2900К/1,15/0,72/0,27/ 1,12; 3 - 2600 К/ 1,07/0.23 /0,85/0,58; б - изолиния 1 - 3050 К/1,53 /1,61 /0,60/1,94; 2 - 2900К/1,11 /0,65/0,23/1,16; 3 - 2600К/0,71/0,19/0,07/0,53

2. Расчеты расширения в цилиндре

На рис. 4, а, в точках 1 и 3, перепад температур достигает 600 К. К середине расширения (рис. 4, б) различия температур сильно снижаются (до 200 К), что связано с интенсивным вихревым перемешиванием. В дальнейшем конвекция ослабевает и перепад температур не изменяется.

Постепенное снижение уровня температур за счет совершения работы расширения и теплоотдачи определяет уменьшение мольных долей радикалов. Исключение составляет токсичный оксид азота N0, содержание которого «замораживается» при температурах < 2400 К. Конечная до-

185

ля N0 составляет 1,43 %, что на два порядка превышает допустимые (по БУК0-5) значения. Это требует применения в выпускной магистрали специальных нейтрализаторов.

а

б

Рис. 4. Изотермы и общие с ними изодоли содержания радикалов (%) для начала (а) и середины (б) расширения в последовательности

Т/N0 / СО / О / ОН: а - изолиния 1 - 2600 К/1.43/0,34/0,13/0,72; 2 - 2300 К/1,43/0,07/0,03/0,28;

3 - 2000 К/1,43/0,007/0,004/0,08; б - изолиния 1 - 1800К/1,43/

0,002/0,001/0,033; 2 -1700 К/1,43/0,001/0,001/0,02;

3 -1600 К/1,43 / 0,001 / 0,0001 / 0,008

Отметим, что перемешивание различных струй, богатых оксидом углерода СО или окисляющими радикалами О, ОН и т.д., обуславливает догорание токсичного СО и превращение его в безвредный диоксид СО2. Конечная доля СО становится пренебрежимо малой, поскольку исходная горючая смесь содержала значительный избыток воздуха (аср = 1,5).

186

Из полученного ясно, что содержание радикалов NO, CO, O, OH растет с повышением температур. Поэтому, несмотря на то, что высокая температура горения обеспечивает большое значение к.п.д. двигателя и малый расход топлива, во многих случаях температуру горения снижают специальными методами: увеличивая избыток воздуха до аСР ~ 2,5; сдвигая период горения по времени в сторону низких давлений такта расширения; используя рециркуляцию отработавших газов - подмешивая их в свежую горючую смесь перед воспламенением и т.п.

Список литературы

1. Чесноков С.А., Дунаев В.А. Тепломассообмен и горение в автомобильных двигателях. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 400 с.

2. Чесноков С.А., Фролов Н.Н., Березин В.А. Исследование внутри-цилиндровых процессов в двигателях методом спектроскопии пламен // Двигателестроение. 2011. № 1. С. 3-8.

3. Чесноков С.А., Потапов С. А. Химический турбулентный тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания / 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 500 с.

Чесноков Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., sachesn45@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ле Дай Лам, аспирант, Россия, sachesn45@mail.ru, Тула, Тульский государственный университет,

Лукин Сергей Эдуардович, магистр, нач. отдела программного обеспечения, sachesn45@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CALCULA TION OF BURNING AND EXPANSION IN A GAS ENGINE USING THE WEB GAS2-DWS

S.A. Chesnokov, Le Dai Lam, S.E. Lukin

The features of an interactive application programs such GAS2 solutions for test problems in the calculation of combustion and expansion in gas engines. Results on the content of toxic components.

Key words: gas engine, the excess air ratio, combustion and after-burning, interactive software solutions for the computer.

Chesnokov Sergej Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, sachesn45@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Le Dai Lam, postgraduate, sachesn45@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lukin Sergej Jeduardovich, magistr, sachesn45@mail. ru, Russian, Tula, Tula State University