^^^^^^^^^^^^^^ химия ^^^^^^^^^^^^^^
АТМОСФЕРЫ
621.43
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ И ОБРАЗОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ © 2004 г. С. М. Фролов, В. Я. Басевич, А. А. Беляев, А. Н. Гоц*
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва *Владимирский государственный университет Поступила в редакцию 01.10.2003
Проведено многомерное математическое моделирование рабочего процесса в дизеле с учетом движения поршня, очагового самовоспламенения, распространения пламени и образования токсичных веществ: СО, NO и сажи. В расчетах использовали модель эквивалентного газофазного пламени, учитывающую диффузионно-лимитированный процесс горения капель. Получено удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными наблюдениями по задержке воспламенения и показателям эмиссии.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 8, с. 50-57
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Физико-химические процессы в камере сгорания (КС) дизельного двигателя (далее - дизеля) сложны и взаимосвязаны [1-3]. Физические процессы включают нестационарный молекулярный и турбулентный тепло- и массообмен, распад жидких топливных струй, движение газа и полидисперсных капель, газификацию капель и т.д. Химические процессы включают предпламенные реакции и реакции высокотемпературного окисления топлива с образованием промежуточных продуктов, реакции образования окислов азота и сажеобразования. Важную роль играет очаговое самовоспламенение. Горение в КС дизеля - пример процесса, в котором одновременно сосуществуют диффузионное, гомогенное и смешанное диффузионно-гомогенное пламя.
Многомерное моделирование указанных процессов на основе фундаментальных уравнений механики сплошных сред, термодинамики и химической кинетики помогает выделить важнейшие параметры, влияющие на характеристики двигателя, и предложить пути повышения эффективности рабочего процесса. В современных многомерных расчетах процесс сгорания заряда топливно-воз-душной смеси (ТВС) часто рассматривают как газофазное горение, при котором роль жидких капель сводится к точечным источникам парообразного топлива. При этом не учитывают тот факт, что в дизеле значительная часть топлива сгорает в диффузионном пламени, в котором объемная скорость энерговыделения определяется диффузион-но-лимитированным горением жидких капель.
В [4] для моделирования горения в двухфазной капельной среде предложена модель эквивалентного пламени. Основная предпосылка этой модели основана на том, что скорость химического
превращения диспергированного жидкого топлива меньше, чем соответствующая скорость в предварительно перемешанной ТВС.
Цель данной работы - рассмотреть динамику процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива, а также образования токсичных веществ в условиях переменного объема КС и проверить прогнозирующую способность модели горения [4].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД
В качестве примера рассматривали рабочий процесс в четырехтактном дизеле с непосредственным впрыском, турбокомпрессорным наддувом, тангенциальным вихревым движением воздушного заряда, глубокой выемкой в поршне и форсункой с пятью сопловыми отверстиями [5]. Степень сжатия гс = 17. Диаметр цилиндра - 85 мм, ход поршня - 96 мм. На рис. 1 показаны геомет-
Жесткая стенка \
Жесткая стенка
Рис. 1. Геометрия одной пятой части КС при положении поршня в ВМТ и граничные условия (ГУ).
рия одной пятой части КС при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и граничные условия. На рис. 2 показаны расчетные сетки в нижней мертвой точке (НМТ) (а) и в ВМТ (•). При движении поршня промежуточную геометрию расчетной сетки определяли путем интерполяции между сетками рис. 2а и 26.
Определяющие уравнения модели - осреднен-ные по Фавру уравнения Навье-Стокса для газовой смеси, дополненные осредненными уравнениями сохранения энергии и непрерывности химических компонентов, а также уравнениями к - г-модели турбулентности [6] и моделью горения [7], основанной на заранее заданной бимодальной функции плотности распределения вероятностей температуры в турбулентном пламени. Химический механизм включал окисление и распад горючего до низших углеводородов [8] и реакции образования N0 [9] и сажи [10]. Для описания горения применили модель эквивалентного пламени [4], в которой горение в двухфазной системе рассматривается как эквивалентный газофазный процесс со скоростями химических реакций, скорректированными на диффузионно-лимитированный процесс горения капель. Причина снижения скорости химического превращения в капельных пламенах заключается в том, что при горении капель достигается меньшая объемная скорость энерговыделения, чем в гомогенных пламенах.
Изначально (в НМТ) цилиндр двигателя заполнен воздухом при давлении р0 и температуре Т0, соответствующих условиям наддува. Коэффициент наполнения цилиндра принимали равным единице. В начальный момент времени в цилиндре задавали вихревое движение воздуха с вихревым отношением Sz = ш/ш0, где ш - угловая скорость вихря, ш0 - угловая частота вращения коленчатого вала.
Начало впрыска топлива моделировали, изменяя граничные условия на соплах форсунки: вместо условий жесткой стенки ставили условия стационарного истечения топлива с заданным вектором скорости струи при коэффициенте расхода через сопло, равном единице. Окончание впрыска моделировали обратной сменой граничных условий на соплах: от условий стационарного истечения к условиям жесткой стенки. Началу и окончанию впрыска соответствовали моменты времени ,
и , или углы поворота коленчатого вала (ПКВ)1) ф, и ф^. Продолжительность впрыска топлива Дф, = = фjf - ф, - входной параметр модели. Полное количество введенного топлива и, следовательно, интегральный коэффициент избытка воздуха а контролировали скоростью истечения и, продолжительностью впрыска Дф,, диаметром сопловых
1)Время Дф, выраженное в углах ПКВ, связано с временем Дг, выраженным в с, соотношением Дф = б^Дг.
Рис. 2. Расчетная сетка с поршнем в положении НМТ (а) и ВМТ (•). Движение поршня моделировали интерполяцией расчетной сетки между указанными крайними положениями.
Полуэмпирический блок реакций окисления и горения н-тетрадекана
Реакция H, ккал/моль Прямая Обратная
A, моль, л, с n E, ккал/моль A, моль, л, с n E, ккал/моль
C14H30 = C14H29 + H -96 4.3 • 1015 0.0 65.0
C14H29 = C6H12 + C6H12 + C2H5 -40 4.3 • 1014 0.0 50.0
C14H30 + OH = C14H29 + H2O 22 4.8 • 107 0.0 1.0
C14H29 + O2 = C14H29O2 22 2.8 • 107 0.0 -1.0 2.0 • 1014 -1.0 25.0
C14H29O2 + C14H30 = C14H29O2H + C14H29 -7 1.0 • 107 0.0 0.2
C14H30 + O2 = C14H29 + HO2 -53 2.4 • 109 0.0 40.0
CH3O2 + C14H30 = CH3O2H + C14H29 -2 1.2 • 106 0.0 1.0
C14H29O2H = C14H29O + OH -43 4.3 • 1013 0.0 30.0
C14H29O = C6P11 + C6Hn + C2H5 + OH + H -193 1.3 • 1013 0.0 26.0
C14H29O2 + C14H29 = C14H29O + C14H29O 31 3.6 • 108 0.0 0.0
C14H29O2 + HO2 = C14H29O2H + O2 46 2.2 • 106 0.0 -2.6
C14H29 + HO2 = C14H29O + OH 25 9.0 • 106 0.0 0.0
C6H12 + O2 = CO2 + CH4 + C2H3 + C2H5 42 2.0 • 1010 0.0 0.0
C6H11 + 2O2 = C2H3 + 2CO2 + 2CH4 199 2.0 • 1010 0.0 0.0
отверстий и плотностью топливной струи. В качестве критерия начала воспламенения использовали известное соотношение:
1 + 8 > J dt/т > 1 - 8,
(1)
превышающим одну расчетную ячейку, т.е. 8 зависит от разрешения расчетной сетки. Начиная с момента времени t = t , те порции TBC, для которых выполнено соотношение (1), быстро сгорают по заранее заданному закону:
где т - задержка воспламенения при локальных средних значениях давления, температуры и концентраций реагентов, рассчитанная для условий гомогенного заряда TBC; t{ (или ф {= 6n0t) - действительная задержка воспламенения в цилиндре; малый параметр 8 < 1 вводится, чтобы обеспечить самовоспламенение в очагах с размером R,
у = max
{у [1-(ж) 1
, 0 к
в течение интервала времени Аíi = Я/с, где с - характерная скорость охвата очага волной самовоспламенения, а у I и у - значения начальной и текущей массовой доли топлива в очаге самовоспламенения. Дальнейшее развитие процесса сгорания заряда
о
Рис. 3. Расчетная кривая сжатия (штриховая кривая) и кривая сгорания (сплошная кривая) в дизеле в зависимости от угла ПКВ при а = 1.75.
Температура, K
Угол ПКВ
Рис. 4. Расчетные кривые изменения температуры в цилиндре дизеля в зависимости от угла ПКВ при а = 1.75. Толстая сплошная кривая 1 соответствует средней температуре газов, тонкая сплошная кривая 2 -максимальной мгновенной температуре, штриховая кривая 3 - изменению температуры при сжатии-расширении воздуха в цилиндре.
167.5
>0.1
0.068
0.058
166.
>0.1
Рис. 5. Эволюция пространственного распределения массовой доли топлива в сечении, расположенном над КС, в зависимости от угла ПКВ.
TBC определялось уравнениями и моделями, указанными выше. B процессе расчетов следили за средней по цилиндру массовой долей токсичных веществ (CO, NO и сажи).
Задачу решали методом конечных объемов с коррекцией давления. B качестве платформы для вычислений использовали вычислительный пакет FIRE, разработанный фирмой AVL (Австрия) и дополненный авторскими модулями воспламенения, турбулентного горения и образования токсичных веществ.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для моделирования рабочего процесса в дизеле [5] при частоте вращения n0 = 4000 об/мин начальные значения давления p0 и температуры T0
принимали равными 0.182 МПа и 347 К, соответственно. Температуру стенки цилиндра считали постоянной и равной 400 К. Дизельное топливо моделировали н-тетрадеканом (С14Н30). Другие параметры задачи: = 2.5, ф^ = 155 °ПКВ, Афj = = 25 °ПКВ, Ц = 250 м/с, 8 = 0.05. Для скорости охвата очага волной самовоспламенения принимали значение с = 1000 м/с [11]. В расчетах варьировали значение коэффициента избытка воздуха а от 1.3 до 2.0.
Задержку воспламенения т в условиях гомогенного заряда рассчитывали на основе механизма реакций, состоящего из двух блоков - блока реакций окисления С1-С2-углеводородов [12] и блока реакций окисления и горения н-тетрадекана с образованием ал кил перекисей (таблица). Указанный механизм реакций подобен механизмам
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.