CC BY
59
РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДОВ АЗОТА В HCCI-ДВИГАТЕЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЗОННОЙ НУЛЬМЕРНОЙ ХИМИКО-КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
С.В. Гусаков, И.В. Епифанов
Кафедра комбинированных ДВС Российский университет дружбы народов Ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
Разработан и проверен способ многозонного моделирования НСС1 ДВС с начальными данными из газодинамического расчета. Получены концентрации оксидов азота с использованием механизма вЫ-МесЬ 3 окисления природного газа.
Двигатель с самовоспламенением гомогенного заряда от сжатия, известный как НСС1-двигатель (НСС1 ДВС), рассматривается в качестве альтернативы дизелю. Гомогенная топливовоздушная смесь образуется перед впускными клапанами цилиндра, как в двигателе с искровым зажиганием (ДсИЗ), а в конце такта сжатия происходит самовоспламенение как в дизеле. Горение в НСС1 ДВС значительно отличается от горения в дизеле тем, что смесь воспламеняется по всему объему камеры сгорания (КС) и сгорание смеси не зависит от процессов распространения пламени и турбулентности. Преимущество НСС1-процесса в том, что температура смеси в объеме КС однородна, отсутствуют локальные зоны, а это позволяет достичь ультранизких выбросов КОх и твердых частиц (ТЧ). Термохимия процесса НСС1-горения позволит создать ДВС с высоким КПД (равным или даже большим чем у дизеля).
Производство НСС1 ДВС в настоящее время связано с необходимостью преодоления некоторых технических проблем. Наиболее значимой из них является отсутствие возможности непосредственного управления моментом самовоспламенения гомогенной топливовоздушной смеси. Средства управления процессом горения НСС1 ДВС с использованием однозонной модели предлагались в работе [1].
В работе [3] рассмотрен метод расчета локальных концентраций оксидов азота в объеме КС дизеля, на основании механизма Зельдовича. Способ моделирования НСС1 процесса, предложенный в [4; 5] связывает гидродинамику с процессами окисления, описанными химико-кинетическими (ХК) механизмами.
В данной статье сняты некоторые допущения, принятые для однозонного моделирования. Такие как отсутствие расслоения топливовоздушного заряда по объему КС, однородность температурного поля. Давление, в отличие от температуры, в зонах КС одинаково. Тепловые потери учитываются по модифицированной формуле Вошни для НСС1 ДВС [7].
НСС1-процесс условно разбивают на три стадии: сжатие, горение, догорание. В процессе сжатия химические реакции мало влияют на формирование топ-
ливной среды (наблюдается лишь относительно небольшое образование радикалов). При подаче топлива во впускной патрубок превалирует процесс перемешивания топлива с воздухом и остаточными газами. В ходе процесса сжатия турбулентные потоки и теплопередача, распределение температуры топливовоздушной смеси (ТВС) по объему КС и ее локальный состав в основном определяют момент начала процесса самовоспламенения.
На стадии горения наблюдается большее влияние химической кинетики. За счет ветвления цепных реакций горение идет настолько быстро, что топливовоздушная смесь не успевает перемешаться [8].
После основного тепловыделения на такте расширения турбулентная диффузия продуктов сгорания больше действует на процесс догорания, но в этом процессе выделяется значительно меньше теплоты. При этом перемешивание несгоревших и частично прореагировавших молекул топлива с горячей и полностью сгоревшей смесью приведет к дополнительному окислению, что в данном исследовании не учитывается. Однако такое допущение может сказаться на результатах вычисления выбросов CO и CH.
В связи с этим в предложенном подходе моделирования HCCI-процесс разбит на два: процесс сжатия до начала горения, в котором преобладают турбулентные процессы, и процесс основного горения, в котором применяется химическая кинетика окисления. Этот подход позволяет сократить время вычислений и повысить их точность в отношении к однозонной модели.
Для исследования применен химико-кинетический (ХК) механизм окисления природного газа GRI-Mech 3 [10], учитывающий кинетику горения, с участием 53 компонентов и 325 реакций. Этот механизм включает основные реакции горения метана, этана, пропана, а также реакции образования NO и других компонентов вредных веществ.
Экспериментальные данные взяты из публикаций университета Lawrence Livermore National Laboratory, US [8]. Основой для разработки и тестирования HCCI-горения был выбран автомобильный двигатель VW TDI, предназначенный для обычных и гибридных силовых установок. Это 4-цилиндровый дизель, с наддувом и непосредственным впрыском. Рабочий объем двигателя 1,9 л, степень сжатия 19. При проведении экспериментальных исследований форсунки дизеля были демонтированы, и на их место установлены пьезокварцевые датчики давления, охлаждаемые водой. В табл. 1 представлены основные данные исследуемого HCCI ДВС.
Таблица 1
Т ехнические данные дизель VW TDI
Диаметр цилиндра, мм 79,5 Углы опережения открытия, град: впускного клапана выпускного клапана 16 28
Ход поршня, мм 95,5
Степень сжатия 19
Диапазон частот вращения 800-3 600 Углы запаздывания
коленчатого вала, мин-1 закрытия, град:
впускного клапана 25
выпускного клапана 19
Результаты газодинамического расчета по методике [2] процессов впуска и сжатия до начала горения послужили основанием для задания начальных данных по формированию топливного и воздушного заряда по объему камеры сгорания.
2,1930
2,1925
2,1920
2,1915
2,1910
2,1905
2,1900
2,1895
2,1890
2,1885
2,1880
--------------1
♦
21
-Л
0 10 20 30 40 50
60
70 80
йц, мм
^ — данные газодинамического расчета Л — физические величины, выбранные для расчета в зонах
Рис.1. Распределение коэффициента избытка воздуха вдоль поверхности днища поршня за 10єград ПКВ до ВМТ
Расчет показал, зависимости коэффициента а имеют характерную выпуклость и асимметрию (см. рис. 1) [2].
На рис. 2 представлена зависимость распределения температуры по радиусу на поверхности днища поршня от центра к периферии. Как видно, температура распределяется неравномерно, с понижением у стенок КС. т, к 1120 1115 1110 1105 1100 1095 1090 1085 1080 1075 1070
'Ш
♦
А
Рис.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
йц, мм
■ данные газодинамического расчета - физические величины, выбранные для расчета в зонах
2. Распределение температуры вдоль поверхности днища поршня за 10єград ПКВ до ВМТ
С использованием результатов реализованной однозонной модели [1] была сформирована многозонная химико-кинетическая модель, по которой для 10 зон выполнен расчет процесса горения за 10 град ПКВ до ВМТ.
а
Для наглядности на рис. 3 представлены результаты эксперимента и расчета, полученные по одно- и многозонной моделям в виде зависимостей давления от угла ПКВ. Резкое возрастание кривой 1 обусловлено экспоненциальной зависимостью скоростных параметров реакций от однородной по всему объему КС температуры, также как и других физических параметров. Зависимость 2, рассчитанная по многозонной модели, удовлетворительно согласуется с экспериментом (зависимость 3), что объясняется наличием зон горения с начальными данными, приближенными к реальной картине состояния рабочего тела в начале расчета (см. рис. 1, 2).
ПКВ, град
Рис. 3. Зависимости давления в цилиндре НСС1 ДВС от угла ПКВ:
1 — расчет по однозонной модели; 2 — расчет по многозонной модели;
3 — эксперимент
Расчеты показывают, что увеличение числа зон в многозонной модели приводит к повышению точности вычислений таких параметров ДВС, как концентрации компонентов ОГ, давления, момента воспламенения, длительности сгорания и др. Однако при этом значительно возрастает время проведения расчетов.
ррт
10,0
8,0
6,0
4.0
2.0 0,0
.........1-
РРт
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
[| 1 1 1.
II 1 1 :
1! 1 !
: ] \ \ г
0,0 25,0 50,0 75,0 100,0 125,0 150,0
ПКВ а) N0
0,00 25,0 50,0 75,0 100,0
ПКВ
125,0 150,0
б) N0,,
Рис. 4. Вредные выбросы, ррт
На рис. 4 приведены результаты расчета зависимостей частиц NO и NO2 от угла ПКВ. Установлено, что на образование выбросов NO и NO2 влияет температура горения, которая учитывается константами скоростей химических реакций в химико-кинетическом механизме GRI-Mech 3.0. Обнаружено также, что с увеличением угла ПКВ в процессе горения NO окисляется до NO2. По данным [9] переход NO в NO2 в основном протекает через гидропероксиловый
радикал: NO + HO2 ^ NO2 + OH
В работе [6] отмечается, что высокий уровень NO2 в ОГ может послужить индикатором тепловых потерь, а также низкой эффективности горения.
Экспериментальные данные по вредным выбросам для одного цилиндра VW TDI двигателя здесь не приводятся, так как датчики по токсичным компонентам были установлены в выпускном коллекторе HCCI ДВС, поэтому не определено влияние каждого цилиндра на их показания, что существенно, так как малейшее отклонение момента самовоспламенения в одном из цилиндров приводит к различию состава ОГ на выходе.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Предложенный подход многозонного нульмерного химико-кинетического моделирования HCCI-процесса выполняется по результатам газодинамического расчета, которые используются в качестве начальных данных расчета горения.
2. Применение предложенного многозонного нульмерного химико-кинетического моделирования HCCI-процесса позволяет определить концентрации оксидов азота по объему КС и их изменение по ходу рабочего процесса в зависимости от распределения топлива и локальных температур по объему КС.
3. Увеличение числа зон расчетной модели сопровождается повышением точности результатов вычислений, но при этом резко возрастает время счета.
4. Разработанная методика многозонного нульмерного химико-кинетического моделирования HCCI-процесса HCCI ДВС различных конструкций может быть без существенных изменений предложена для проектировщиков двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Гусаков С.В., Епифанов И.В. Исследование HCCI процесса с использованием нульмерной однозонной химико-кинетической модели горения // Вестник РУДН. — 2007.
[2] Гусаков С.В., Епифанов И.В. Газодинамические процессы в HCCI двигателе до момента самовоспламенения // Международная научно-техническая конференция «Двигатель-2007», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.
[3] Кавтарадзе Р.З., Голосов А.С. Расчет содержания оксидов азота в КС дизеля на основе многозонной модели рабочего процесса // ДВС XXI века. — СПб., 2000.
[4] Acaves S.M., Flowers D., Martinez-Frias J. et al. Multi-Zone Analysis of Propane HCCI Combustion // SAE Paper 2001-01-1027, 2001.
[5] Acaves S.M., Flowers D., Westbrook C.K. et al. A Multi-Zone Model for prediction of HCCI combustion and emissions // SAE paper 2000-01-0327, 2000.
[6] Amneus P., Mauss F., Kraft M. et al. NOx and N2O formation in HCCI engines // Lund, Cambridge, 2005.
[7] Assanis D., Chang J., Guralp O. et al. New Heat Transfer Correlation for an HCCI Engine Derived from Measurements of Instantaneous Surface Heat Flux // Univ. of Michigan, GM R&D Center, 2004.
[8] Flowers D.L. Combustion in HCCI Engines: Experiments and Detailed Chemical Kinetic Simulations // Thesis (Ph.D.), 2002.
[9] Hori M., Matsunaga N., Marinov N. et al. // 27th Symp. (int.) on Combustion, pp. 389—396 (1998), 1998.
[10] Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M. et al. GRI-Mech 3.0 // Gas Research Institute, http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/ 1999 r.
HCCI ENGINE NOX ESTIMATION WITH MULTIZONE MODEL
S.V. Gusakov, I.V. Epifanov
Internal Combustion Engines’ Department Peoples’ Friendship University of Russia
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
Researched & developed HCCI engine multizone approach with initial data from CFD calculations. Obtained NOx concentrations based on chemical-kinetics mechanism GRI-Mech 3.
