Моделирование самовоспламенения перед фронтом пламени в двигателе с искровым зажиганием на основе детальной кинетики элементарных реакций
Автор: Сеначин П.К., Сеначин А.П.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Нефтяное, газовое, энергетическое и автотранспортное машиностроение
Статья в выпуске: 1-2 т.13, 2011 года.
Бесплатный доступ
В статье приведены результаты численного моделирования пределов самовоспламенения смесей изооктана и н-гептана перед фронтом пламени в поршневом двигателе с искровым зажиганием в фазовой плоскости частота вращения - угол зажигания при варьировании степени сжатия для смесей различного стехиометрического состава.
Двигатель с искровым зажиганием, фронт пламени, самовоспламенение, стук и детонация, детальная кинетика, моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/148199661
IDR: 148199661
Текст научной статьи Моделирование самовоспламенения перед фронтом пламени в двигателе с искровым зажиганием на основе детальной кинетики элементарных реакций
углеводородов [8], результаты расчетов близки к результатам моделирования по ДКМ 284/43 и другим [5-7]. Постановка задачи соответствует работе [9]. Моделирование проводится применительно к характеристикам двигателя автомобиля «Renault Logan» типа «K7J710» размерностью 4Ч 7,95/7 для модельных смесей, соответствующих бензину с октановым числом (ОЧ), равным 90.
Таблица 1. Сокращенный ДКМ смесей изооктана и н-гептана с воздухом
|
№ п/п |
Механизм 43/31 |
|
1 |
С B 7 B Н B 16 B → С B 7 B Н B 15 B + Н |
|
2 |
С B 7 B Н B 15 B → С B 6 B Н B 12 B + СН B 3 B |
|
3 |
С B 6 B Н B 12 B + О B 2 B → С B 2 B Н B 3 B + С B 2 B Н B 5 B + СН B 4 B + СО B 2 B |
|
4 |
С B 7 B Н B 16 B + ОН → С B 7 B Н B 15 B + Н B 2 B О |
|
5 |
С B 7 B Н B 15 B + О B 2 B → С B 7 B Н B 15 B О B 2 B |
|
6 |
С B 7 B Н B 15 B О B 2 B → С B 7 B Н B 15 B + О B 2 B |
|
7 |
С B 7 B Н B 15 B О B 2 B + С B 7 B Н B 16 B → С B 7 B Н B 15 B О B 2 B Н + С B 7 B Н B 15 B |
|
8 |
С B 7 B Н B 16 B + О B 2 B → С B 7 B Н B 15 B + НО B 2 B |
|
9 |
С B 7 B Н B 16 B + СН B 3 B О B 2 B → СН B 3 B О B 2 B Н + С B 7 B Н B 15 B |
|
10 |
С B 7 B Н B 15 B О B 2 B Н → С B 7 B Н B 15 B О + ОН |
|
11 |
С B 7 B Н B 15 B О → С B 6 B Н B 11 B + СН B 3 B + ОН |
|
12 |
С B 6 B Н B 11 B +2 О B 2 B → С B 2 B Н B 3 B + 2 СН B 4 B + 2 СО B 2 B |
|
13 |
С B 7 B Н B 15 B О B 2 B + С B 7 B Н B 15 B →2 С B 7 B Н B 15 B О |
|
14 |
С B 7 B Н B 15 B О B 2 B + НО B 2 B → С B 7 B Н B 15 B О B 2 B Н + О B 2 B |
|
15 |
С B 7 B Н B 15 B + НО B 2 → B С B 7 B Н B 15 B О + ОН |
|
16 |
С B 8 B Н B 18 B → С B 8 B Н B 17 B + Н |
|
17 |
С B 8 B Н B 17 B → С B 6 B Н B 12 B + С B 2 B Н B 5 B |
|
18 |
С B 8 B Н B 18 B + ОН → С B 8 B Н B 17 B + Н B 2 B О |
|
19 |
С B 8 B Н B 17 B + О B 2 B → С B 8 B Н B 17 B О B 2 B |
|
20 |
С B 8 B Н B 17 B О B 2 B → С B 8 B Н B 17 B + О B 2 B |
|
Продолжение таблицы |
|
|
21 |
С B 8 B Н B 17 B О B 2 B + С B 8 B Н B 18 B → С B 8 B Н B 17 B О B 2 B Н + С B 8 B Н 1 B 7 B |
|
22 |
С B 8 B Н B 18 B + О B 2 B → С B 8 B Н B 17 B + НО B 2 B |
|
23 |
С B 8 B Н B 18 B + СН B 3 B О B 2 B → СН B 3 B О B 2 B Н + С B 8 B Н B 17 B |
|
24 |
С B 8 B Н B 17 B О B 2 B Н → С B 8 B Н B 17 B О B B + B B ОН |
|
25 |
С B 8 B Н B 17 B О → С B 6 B Н B 11 B + СН B 3 B + СН B 3 B О |
|
26 |
С B 8 B Н B 17 B О B 2 B + С B 8 B Н 1 B 7 B →2 С B 8 B Н B 17 B О |
|
27 |
С B 8 B Н B 17 B О B 2 B + НО B 2 B → С B 8 B Н B 17 B О B 2 B Н + О B 2 B |
|
28 |
С B 8 B Н B 17 B + НО B 2 B → С B 8 B Н B 17 B О + ОН |
|
29 |
Н + О B 2 B → НО B 2 B |
|
30 |
ОН + Н B 2 B О B 2 B → НО B 2 B + Н B 2 B О |
|
31 |
Н B 2 B О B 2 B →2 ОН |
|
32 |
2 НО B 2 B → Н B 2 B О B 2 B + Н B 2 B О |
|
33 |
СН B 2 B О + ОН → НСО + Н B 2 B О |
|
34 |
НСО + О B 2 B → Н B 2 B О + СО |
|
35 |
СН B 3 B + О B 2 B → СН B 3 B О B 2 B |
|
36 |
СН B 3 B О B 2 B → СН B 3 B + О B 2 B |
|
37 |
СН B 3 B О B 2 B → СН B 2 B О + ОН |
|
38 |
СН B 3 B О B B → СН B 2 B О + Н |
|
39 |
С B 2 B Н B 4 B + ОН → С B 2 B Н B 3 B + Н B 2 B О |
|
40 |
С B 2 B Н B 3 B + О B 2 B → С B 2 B Н B 2 B + НО B 2 B |
|
41 |
С B 2 B Н B 3 B + СН B 2 B О → НСО + С B 2 B Н B 4 B |
|
42 |
С B 2 B Н B 5 B + О B 2 B → С B 2 B Н B 4 B + НО B 2 B |
|
43 |
С B 2 B Н B 5 B + ОН → СН B 3 B + СН B 3 B О |
Vh=V-V bu
,
- динамики скорости горения топливной смеси (массовой доли)
Ff x =——
•
•
2 n n
1 - x
V u
+ ut
где F B f B – площадь поверхности фронта пламени, определяемая как поверхность сферических сечений рабочего объема через приведенную координату фронта пламени r B f B и текущую координату поршня z ; n – частота вращения коленвала;
- нормальной скорости пламени
S u = S u 0 ( pip 0 ) mp ( T .i T « ) m T
,
где S B u0 B – нормальная скорость пламени при нормальных условиях; p 0 B B , T B 0 B – давление и температура при нормальных условиях;
- скорости турбулентных пульсаций на фронте пламени
ut = k nop ^oop ) = 4 rnk пор = 4 > 2 rn (6)
Математическая модель процесса фронтального горения смеси в ДВС с искровым зажиганием и самовоспламенения (теплового взрыва) перед фронтом пламени включает уравнения (в функции угла ПКВ φ ):
- динамики объема для одного цилиндра двигателя
где k B пор B и u пор - эмпирический коэффициент и средняя скорость поршня;
- динамики давления в цилиндре двигателя (энергии всей системы)
p ( V - V« — - Vb — u bp
V C pu C pb J
•
• ( V
- px I —— 1 1 - x
V b
•
V = V c
£ - 1
sin p 1 +
cosP
д/1/ Я 2 - sin2 p?
• • R I H« - pV + x 1 ——
C pb 1 1 - x
- Hb |+Qu r^-+Qb— ub x ) Cpu Cpb (7)
где V = dV/dp- производная объема по углу ПКВ; V B c B - объем камеры сгорания; ε – геометрическая степень сжатия; λ=r/l – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
- объема свежей смеси (термическое уравнение состояния идеального газа)
V u = ( m a M u » - x ) RT ul P
,
где m B a B – полная масса смеси в цилиндре двигателя; M B u B – средняя молекулярная масса свежей смеси; R – универсальная газовая постоянная; T B u B – температура зоны свежей смеси; p – давление в цилиндре двигателя; x – массовая доля сгоревшей смеси в цилиндре двигателя;
-
- объема продуктов сгорания
где Qu и Qb - теплообмен со стенками цилиндра, поршня и крышки зон свежей смеси и продуктов сгорания соответственно; C B pu B , C B pb B , и H B u B , H B b B - средние молярные теплоемкости и энтальпии свежей смеси и продуктов сгорания;
-
- скоростей химических реакций в зоне свежей смеси
Wt = k p ( pip 0 ) kp n j A ij • exp( - E il RT )
,
(8)-(50)
где k B p B – коэффициент влияния давления на скорость химической реакции; k B i B и E B i B – пре-дэкспонент константы скорости и энергия активации i- ой реакции (таблица 1); A B ij B – концентрации j- ой компоненты частиц, вступающих в i- ю реакцию);
-
- динамики температуры свежей смеси
• г • •
T. = R p + Q u 1
T Cpu p pVu 2mip1"
V7
,
где h B i B – теплота (энтальпия) i- ой реакции;
- средней температуры продуктов сгорания (для идеального газа)
T = pV b M b /( " a Rx )
,
где M B b B – средняя молекулярная масса продуктов сгорания;
- динамики концентраций компонентов свежей смеси (частиц)
холоднопламенной стадии, а при переходе ко второй стадии самовоспламенения, проходит третью точку перегиба. Затем в процессе объемного взрывного горения оставшейся смеси температура резко возрастает. При наступлении холоднопламенной стадии самовоспламенения резко возрастает и затем падает концентрация изооктанового перекисного радикала C B 8 B H B 17 B O B 2 B , при этом максимальное значение концентрации достигает 4600 ppm (рис. 2, линия 2).
• W j
Aj = L + Ai j 2 n n j
••
p - T U
p T
V
RTu
2 n np
1 W i
(53)-(83)
и начальные условия в моменты закрытия впускного клапана (индекс a ) и зажигания (индекс 1):
φ = φ B a B ,… p = p B a B ,… T B u B = T B a B ,… A B j B = A B aj B (84)
φ = φ B 1 B ,… p = p B 1 B ,… T B u B = T B 1 B ,… A B j B = A B aj B (85)
Численное интегрирование системы уравнений (1)-(85) проводилось по собственной программе с привлечением специальных методов интегрирования систем жестких уравнений. На рис. 1 представлены зависимости критического угла опережения зажигания, обеспечивающего сгорание без стука и детонации, от частоты вращения коленчатого вала при различных значениях степени сжатия и коэффициентах избытка воздуха. Характер зависимостей соответствует результатам, ранее полученным в [9] с использованием макроки-нетического уравнения для химической реакции самовоспламенения смеси перед фронтом пламени. Видно, что существует вполне определенная область углов зажигания, для которых в некоторый момент времени фронтальный режим горения смеси переходит в объемный (со стуком или детонацией) из-за самовоспламенения смеси перед фронтом пламени.
На рис. 2 приведена динамика самовоспламенения (теплового взрыва) стехиометрической смеси ( α =1,0) перед фронтом пламени при степени сжатия ε =11 и частоте вращения вала n =2500 мин P -1 P для значения угла зажигания φ B 1 B =30 Град ПКВ. Можно отметить следующие особенности динамики процесса самовоспламенения. Температура смеси перед фронтом пламени T B u B после момента зажигания плавно растет в результате процессов сжатия поршнем и продуктами фронтального горения смеси. Далее она проходит 2 точки перегиба во время
Частота вращения, 1/мин
α=1,2
Рис. 1. Графики зависимостей критического
угла зажигания φ B 1 B от частоты вращения вала n
при различных значениях степени сжатия ε для смесей разного стехиометрического состава. Вне полуострова самовоспламенение отсутствует, внутри полуострова – область стука или
детонации
Рис. 2. Динамика самовоспламенения смеси перед фронтом пламени:
1 – динамика температуры смеси перед фронтом пламени T B u B ; 2 – концентрация изооктанового перекисного радикала C B 8 B H B 17 B O B 2 B в единицах ppm; 3 – динамика дифференциального критерия самовоспламенения d ln T B u B / d ln p
Динамика дифференциального критерия самовоспламенения [2]
dT B u B / dp = T B u B / p или d ln T B u B / d ln p = const (86)
(безразмерной функции процесса) следующая. В начале фронтального горения смеси его значение близко к нулю, во время холоднопламенного процесса перед фронтом пламени его величина достигает нескольких единиц (порядка 1-3) и падает практически до нуля. Причем локальный максимум функции совпадает с максимумом концентрации изооктанового перекисного радикала C B 8 B H B 17 B O B 2 B (рис. 2, линия 3). Затем при переходе к второй стадии теплового взрыва величина критерия самовоспламенения снова резко возрастает и достигает максимального значения порядка 120. Поэтому при моделировании углеводородных смесей с детальной химической кинетикой в ДВС с искровым зажиганием в качестве условия самовоспламенения смеси можно принять достижение критерием самовоспламенения d ln T B u B / d ln p численного значения порядка 20-30. Отметим, что ранее при теоретическом решении задач самовоспламенения смеси при адиабатическом сжатии, в том числе в ДВС с искровым зажиганием [2, 9], с уравнением глобальной химической кинетики (макрокинетики), численное значение критерия принималось равным единице d ln T B u B / d ln p =1.
Выводы: численное моделирование самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием с на основе ДКМ 43/31 показывает:
-
- предложенный ДКМ 43/31 для смесей изооктана и н-гептана с воздухом удовлетворительно
описывает процесс самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием и может быть использован для прогнозирования пределов стука или детонации в двигателях;
-
- подтверждено существование полуострова самовоспламенения смеси перед фронтом пламени в фазовой плоскости частота вращения вала – угол зажигания, ранее полученного с использованием уравнения макрокинетики [9]; - с использованием ДКМ подтверждено влияние термодинамических, конструктивно-геометрических, динамических и других параметров процесса на самовоспламенение смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием, ранее полученное при использовании уравнения макрокинетики;
-
- при самовоспламенении углеводородных смесей в ДВС с искровым зажиганием динамика температуры перед фронтом пламени имеет три точки перегиба по причине двустадийности процесса;
-
- при самовоспламенении смесей изооктана и н-гептана в ДВС с искровым зажиганием концентрация изооктанового перекисного радикала C B 8 B H B 17 B O B 2 B последовательно проходит четко выраженные максимум и минимум на первой (холоднопламенной) стадии процесса, а на второй стадии (перехода к объемному взрыву или детонации) стремится к нулю, что может быть использовано при численном моделировании процесса;
-
- предложенный в [2] дифференциальный критерий d ln T B u B / d ln p при самовоспламенении смесей изооктана и н-гептана с воздухом в ДВС с искровым зажиганием имеет 2 максимума, причем первый является слабовыраженным с численным значением 1-3 при прохождении холоднопламенной стадии (с дальнейшим снижением практически на порядок), а второй на стадии перехода к взрыву является пикообразным (подобным дельта-функции) с максимальным значением порядка 100-120 с дальнейшим стремлением к нулю (при численных расчетах за критерий самовоспламенения можно положить достижение его значения порядка 20-30).
Список литературы Моделирование самовоспламенения перед фронтом пламени в двигателе с искровым зажиганием на основе детальной кинетики элементарных реакций
- Воинов, А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях/А.Н. Воинов. -М.: Машино-строение, 1977. 277 с.
- Сеначин, П.К. Самовоспламенение газа перед фронтом пламени в закрытом сосуде/П.К. Сена-чин, В.С. Бабкин//Физика горения и взрыва. 1982.Т. 18, № 1. С. 3-8.
- Bradley, D. Influence of Autoignition Delay Time Characteristics of Different Fuels on Pressure Waves and Knock in Reciprocating Engines/D. Bradley, G.T. Kalghatgi//Combustion and Flame. 2009. Vol. 156, No. 8. P. 2307-2318.
- Варнац, Ю. Моделирование процессов горения с помощью детальной кинетики элементарных реакций/Ю. Варнац//Химическая физика. 1994. Т. 13, № 2. С. 3-16.
- Басевич, В.Я. Сокращенная кинетическая схема для моделирования самовоспламенения воздушных смесей изооктана и н-гептана в течение периода индукции применительно к двигателям внутреннего сгорания/В.Я. Басевич, С.М. Фролов//Химическая физика. 1994. Т. 13, № 8-9. С. 146-156.
- Басевич, В.Я. Моделирование самовоспламенения изооктана и н-гептана применительно к условиям ДВС/В.Я. Басевич, А.А. Беляев, В. Брандштетер и др.//Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30, № 6. С. 15-25.
- Басевич, В.Я. Моделирование задержек самовоспламенения метановоздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания/В.Я. Басевич, В.И. Ведене-ев, В.С. Арутюнов//Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30, № 21. С. 7-14.
- Сеначин, А.П. Численное моделирование само-воспламенения смесей изооктана и н-гептана с воздухом перед фронтом пламени в поршневых двигателях с искровым зажиганием/А.П. Сена-чин, П.К. Сеначин//Ползуновский вестник. 2010. № 1. С. 3-12.
- Сеначин, П.К. Самовоспламенение смеси перед фронтом пламени в поршневых двигателях с искровым зажиганием/П.К. Сеначин, В.С. Бабкин, А.В. Борисенко//Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, №6. С. 3-13.
