Моделирование процесса сгорания в ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия

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 t_v . Она определяется как интервал времени, в течение которого полностью прореагируют активные молекулы топлива Z_E , имеющие энергию больше условной средней энергии активации для процесса окисления Е.

Выражение для определения условной продолжительности реакции окисления топлива имеет вид:

Камалтдинов В.Г., Абелиович Е.В., Теребов А.С.         Моделирование процесса сгорания в ДВС___________________________________________с воспламенением гомогенного заряда от сжатия

ZT             V                                            „

• ^у    const- V-СР • С^ч_т const- Zf^x -Z^’

где Z_T - общее количество молекул топлива в рассматриваемом объеме V цилиндра двигателя; С_Т -Z_TIV и С₀₂ = Z_O2 IV - концентрации молекул топлива Z_T и кислорода Z_m 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 dN w =----—

• V dT

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

Для этого процесс сгорания представляется как совокупность промежуточных стадий окис ления dN = ZE = ZT-e RT количества молекул топлива, происходящих за интервал времени dt = ry при температуре смеси Т . А мгновенная скорость окисления принимается по общепри- пятому выражению w = const- е RT - Су • Су2 -

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 = С] • 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:

V _т -------------------------------.

У Г Г С 7 Р~^ 74 ^С1 С₂ *^з ь_т ^02

Из выражения (2) видно, что условная продолжительность реакции окисления топлива т_у 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 dZ_t можно определить по выражению

7 dZj= — -dt.

Тогда масса прореагировавшего топлива за этот интервал времени dt 'o'jpst:

Z.

dm„=dZ_l-p_T-A₀=p_T-A_--b--dt,                                               (3)

ту где рт - молярная масса топлива; Ло = 1,66-10”27 кг-атомная единица массы.

С учетом выражения (3) количество теплоты, выделившееся при сгорании этой массы топлива, будет dQK =dmC2-Hll=Hu -pyAy-^-dt, ту

Расчет и конструирование

где Н_и - низшая теплота сгорания топлива.

Отсюда получаем искомую характеристику тепловыделения во времени:

Е

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 Е 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 (HCCI 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 HCCI 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-

320 330 340 350 360 370 380 град, п.к.в.

р. МПа 8

320 330 340 350 360 370 380 град, п.к.в.

1,

320 330 340 350 360 370 380 град, п.к.в.

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).