CC BY
33
УДК 621.43.068.8
АДАПТАЦІЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ НЕРІВНОВАЖНОГО ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ПРОДУКТІВ ЗГОРЯННЯ ГАЗОВОГО ДВИГУНА
З ІСКРОВИМ ЗАПАЛЮВАННЯМ
О.М. Кабанов, доцент, к.т.н.,
О.О. Приходкін, студент, ХНАДУ
Анотація. Приведено методику розрахунку нерівноважного хімічного складу продуктів згоряння газового двигуна з іскровим запалюванням. Одержано результати розрахунку нерівноважного хімічного складу продуктів згоряння газового двигуна 4ГЧ7,5/7,35 з використанням даної методики.
Ключові слова: газовий двигун, нерівноважний склад, природний газ.
АДАПТАЦИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НЕРАВНОВЕСНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ
ЗАЖИГАНИЕМ
А.Н. Кабанов, доцент, к.т.н,
А.А. Приходкин, студент, ХНАДУ
Аннотация. Приведена методика расчета неравновесного химического состава продуктов сгорания газового двигателя с искровым зажиганием. Получены результаты расчета неравновесного химического состава продуктов сгорания газового двигателя 4ГЧ7,5/7,35 с применением данной методики.
Ключевые слова: газовый двигатель, неравновесный состав, природный газ.
ADAPTATION OF CALCULATIONMETHODS OF NON-EQULIBRIUM CHEMICAL BURNT SUBSTANAS COMPOSITION OF THE GAS ENGINE WITH
SPARK IGNITION
А. Kabanov, Associate Professor, Candidate of Technical Science,
A. Pryikhodkin, student, KhNAHU
Abstract. Methods of calculation of the non-equilibrium chemical composition of exhaust gases of the gas engine with spark ignition have been presented. The results of calculation of the non-equilibrium chemical composition of exhaust gases of 4GF7,5/7,35 gas engine according to this technique were obtained.
Key words: gas engine, non-equilibrium composition, natural gas.
Вступ
Основними причинами використання газових палив автомобільним транспортом у всьому світі є економічні та екологічні фактори.
Сьогодні у світі як альтернатива рідким нафтовим паливам найбільш широко застосову-
ється природний газ. Широке використання природного газу зумовлене тим, що його виробництво не потребує глибокої хімічної переробки первинної сировини, а підготовку до застосування проводять фізичними методами, такими як: стиснення (компримування) чи зрідження (скраплення). Завдяки цьому у більшості країн світу вартість газових мо-
торних палив для споживачів є нижчою за вартість рідинних палив.
У зв’язку з поширенням використання природного газу в якості моторного палива, виникає необхідність виконання розрахунку хімічного складу продуктів згоряння з метою пошуку шляхів зниження токсичності відпрацьованих газів газового двигуна з іскровим запалюванням.
Аналіз публікацій
Зараз для розрахунку вмісту токсичних компонентів у відпрацьованих газах двигуна з іскровим запалюванням (ІЗ) використовується переважно методика розрахунку рівноважного складу продуктів згоряння, запропонована проф. Звоновим В.О. [1]. Для
розрахунку концентрації КОх дана методика доповнюється кінетичним рівнянням Зельдовича [3].
Суть методу полягає у такому: спочатку виконується розрахунок рівноважного складу продуктів згоряння (вирішується система з N нелінійних рівнянь з N невідомих) [1, 2, 4, 5]. Потім виконується розрахунок N0 (оскільки У ДВЗ із іскровим запалюванням монооксид азоту N0 становить більше 97 % викидів оксидів азоту, то при визначенні концентрацій N0x приймається допущення, що зі всіх оксидів азоту утвориться тільки він) за кінетичним рівнянням Зельдовича [3]. І виконується повторний розрахунок рівноважного складу з попередньо знайденими значеннями N0, які приймаються константами.
Також існує методика розрахунку нерівно-важного складу продуктів згоряння. В основу цієї методики було покладено механізм горіння природного газу ОМ 3.0, запропонований Каліфорнійським університетом в Берклі [7].
Суть цієї методики полягає у тому, що на основі рівнянь хімічних реакцій, що відбуваються у циліндрі двигуна (ці рівняння беруться з механізму ОМ 3.0 [7]), складається система диференціальних рівнянь відносно кожного з компонентів продуктів згоряння. Вирішуючи цю систему, отримаємо концентрації складових відпрацьованих газів.
- вище точність результату внаслідок більш досконалої моделі розрахунку;
- можливість розраховувати концентрацію оксидів азоту без застосування окремих методів;
- розраховується більша кількість отруйних речовин, у тому числі й альдегіди.
Головним недоліком методу розрахунку не-рівноважного складу є те, що він є більш складним у використанні, ніж розрахунок рівноважного складу. Але у сучасних умовах цей недолік є таким, що не заважає використовувати цю методику.
Отже, оскільки розрахунок нерівноважного складу має більше переваг, ніж недоліків, порівняно з розрахунком рівноважного складу, й недоліки не є критичними, то для розрахунку складу відпрацьованих газів газового двигуна було обрано метод розрахунку нерівноважного складу.
Мета дослідження
Метою даного дослідження є адаптація методики розрахунку нерівноважного хімічного складу продуктів згоряння до умов у циліндрі газового двигуна.
Принцип складання системи диференціальних рівнянь для розрахунку нерівноважного складу продуктів згоряння
Система диференціальних рівнянь складається за таким принципом:
- початкові рівняння хімічних реакцій [7]
1) A + Б:------------------------*• C;
(1)
2) А + Б:--------------------”с,
де А, В, С, В - компоненти продуктів згоряння, концентрації яких необхідно визначити
к{(6) = к0 • Тх • ехр І- Е-
ЯТ
(2)
Аналіз літератури показав, що, на відміну від розрахунку рівноважного складу, розрахунок нерівноважного складу має такі переваги:
де Еі - енергія активації; Я - характеристична газова стала;
к
- константи швидкості прямої та зворотної реакцій 7-го рівняння, що визначаються згідно з рівнянням Ареніуса.
Після перетворень отримаємо систему диференціальних рівнянь
^ = ~к\ • ПА ■ ПБ +к1 • ПС -к2 • ПА ■ ПБ + к2 • ПС
аі
= ~к( • ПА • ПБ +к1 • пс
аі
^ = к\ •Па'Пб -к1 •Пс + Н^А-Щ -к2 •Пс аі
аП
аі
Б = ~к2 • ПА ■ ПБ +к2 • Пс
(3)
де пх - концентрація відповідного компонента.
У скороченому вигляді цю систему можна записати так
аА
— = / (А, Б, С, Б) аі
= / (А, Б, С)
аі
^ = / (А, Б, С, Б)
аі
^ = / (А, С, Б)
аі
(4)
де А, В, С, В - концентрації компонентів продуктів згоряння, які необхідно визначити.
Адаптація методики розрахунку нерівноважного складу продуктів згоряння до умов газового двигуна
Оскільки основою даної методики є механізм горіння газу ОМ 3.0 [7], то під адаптацією методики розрахунку нерівноважного складу до умов газового двигуна розуміється адаптація саме механізму ОМ 3.0 до цих умов.
Цей механізм передбачає горіння газу за нормальних умов (температура - 20 °С, тиск
- 768 мм рт. ст.), але у циліндрі двигуна і температура, і тиск набагато вище. Це означає, що у початковому вигляді не можна застосувати механізм ОМ 3.0 до розрахунку нерівноважного складу продуктів згоряння газового двигуна, оскільки це призведе до отримання невірних результатів розрахунку.
Механізм горіння природного газу ОМ 3.0 включає в себе 325 рівнянь хімічних реакцій для 53 компонентів [7]. Але за тих умов, що виникають під час горіння робочої суміші у циліндрі газового ДВЗ, утворюються не всі компоненти (через те, що температура та тиск у циліндрі не відповідають умовам їх утворення).
Також кількість деяких компонентів, з тих, що утворюються, є настільки малою, що їх вмістом у відпрацьованих газах двигуна можна знехтувати. Це дає змогу зменшити кількість компонентів реакцій, а значить і кількість диференціальних рівнянь у розрахунковій системі, до 25, а кількість рівнянь реакцій - до 121 (оскільки реакції, компоненти котрих були вилучені з розрахунку, не можуть відбутися, то ці реакції також виключаються з подальших розрахунків).
Ці спрощення полегшать процес складання та розв’язку системи диференціальних рівнянь, але це ніяким чином не вплине на точність отриманих результатів.
Початковий набір компонентів у механізмі ОМ 3.0 такий [7]
Н2, Н, О, 02, ОН, Н2О, НО2, Н2О2, с, сн, СН2, сщв), СН3, СН4, СО, СО2, НСО, СН2О, сН2ОН, сН3О, сН3ОН, с2Н, с2Н2, с2Н3, С2Н4, С2Н5, С2Н6, НССО, СН2СО, НССОН, N 1ЧН, NH2, NH3, №ЧН, N0, Ш2, ^О, НШ, СЧ НС^ Н2С^ НС№Ч, НСШ, НОС^ ШСО, ^О, N2, ЛИ, С3Н7, С3Н8, СН2СНО, СН3СНО.
Після адаптації набір компонентів став таким
Н2, Н, О, О2, ОН, Н2О, НО2, Н2О2, С, СН, СН2, СН3, СН4, СО, СО2, НСО, СН2О, СН2ОН, СН3О, СН3ОН, N N0, N02, N20, N2.
Отже, внаслідок адаптації механізму горіння природного газу до умов у газовому двигуні вдалося суттєво зменшити кількість компонентів, концентрації яких треба знайти, що, у свою чергу, значно полегшило складання та розв’язок розрахункової системи і, водночас, не вплинуло на точність результатів.
Після адаптації механізму горіння до умов у двигуні необхідно скласти розрахункову систему. Цю систему було складено, і у скороченій формі вона має вигляд
= / (Н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2 ,с,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
аі
— = / (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2,с,сн,сн2,сн3 ,сн4,со,со2 ,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3ондаодо2 Д2о,М2) аі
—=/ (н2,н,о,о2,он,н2о,но2,н2о2,с,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он,м,мо,мо2,м2о,м2) л
=/ (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2,н2о2 ,с,сн,сн2 ,сн3 ,сн4 ,со,со2,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,м,модо2 Д2о,М2)
аі
лон=/ (н2,н,о,о2,он,н2о,но2,н2о2,с,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3ондао,мо2,м2о,м2) л
лно=f (н2,н,о,о2,он,н2о,но2,н2о2,сн,сн2,сн3,сн4,со,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
аі
лно- = f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2 ,сн2 ,сн3 ,сн4 ,со,со2 ,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,модо2 Д2о,М2) аі
Ш2°2 = f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2,сн3 ,сн4) аі
—=f (н2,н,о,о2,он,с,сн,со,м,мо) аі
асн
----= f (н2,н,о,о2,он,н2о,с,сн,сн2,сн3,со,со2,нсо,сн2одао)
аі
асн2
2 f(н2,н,о,о2,он,н2о,но2,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2,нсо,сн2о)
аі
асн3
----3=f (н2,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2,сн,сн2 ,сн3 ,сн4 ,со,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
л
асн
----- = f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,н2о2 ,сн2 ,сн3,сн4 ,со,нсо,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
аі
лсо=f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,с,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2 ,нсо,сн2о,мдо)
аі
асо2
-----=f (н2,н,о,о2,он,но2,сн,сн2,со,со2,нсо,мдо)
аі
ансо
аі
= f (н2,н,о,о2,он,н2о,но2,сн,сн2,сн3,сн4,со,со2,нсо,сн2о,м,мо)
лсно=f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,сн,сн2 ,сн3,сн4 ,со,нсо,сн2о,сн2он,сн3о) л
асн он
---2—=f (н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,сн3 ,сн4 ,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
аі
dсHзO f(н2 ,н,о,о2 ,он,н2о,но2 ,сн3 ,сн4 ,сн2о,сн2он,сн3о,сн3он)
= f (н2,н,о,он,н2о,сн3,сн4,сн2он,сн3о,сн3он)
аі
асн3он
аі
— = f (н,о,о2 ,он,с,со,со2 даод2) аі
= f (н,о,о2,он,но2,с,сн,со,со2,нсо,м,мо,мо2,м2о,м2)
аі
= f (н,о,о2 ,он,но2 ,ш,:ыо2)
аі
= f (н,о,о2,он,но2,мо,м2од2)
л аш,
(5)
аі
- = f(H,O,O2,OH,HO2,N,NO,N2O,N2)
Розрахункове дослідження складу продуктів згоряння газового двигуна
Результати розрахунку даної системи за різних частот обертання колінчастого вала представлено на рис. 1 та 2 у виді навантажувальних характеристик.
Порівняння результатів розрахунку нерівноважного складу та експериментальних даних
На прикладі навантажувальної характеристики двигуна 4ГЧ7,5/7,35 на рис. 3 та 4 приведено порівняння результатів розрахунку нерівноважного складу та результатів експерименту [6].
Рис. 1. Показники токсичності двигуна
4ГЧ7,55/7,35 при п = 2500 хв-1
Рис. 3. Порівняння показників токсичності двигуна 4ГЧ7,55/7,35 при п = 2500 хв"1
---------експериментальні дані;
---------результати розрахунку
Рис. 2. Показники токсичності
4ГЧ7,55/7,35 при п = 4000 хв-1
двигуна рис. 4. Порівняння показників токсичності
двигуна 4ГЧ7,55/7,35 при п = 4000 хв-1
----------експериментальні дані;
----------результати розрахунку
Висновки
Розрахунок нерівноважного хімічного складу продуктів згоряння газового двигуна з іскровим запалюванням має такі переваги:
- вище точність результату внаслідок більш досконалої моделі розрахунку;
- можливість розраховувати концентрацію оксидів азоту без застосування окремих методів;
- розраховується більша кількість шкідливих речовин, у тому числі й альдегіди.
Головним недоліком методу розрахунку нерівноважного складу є те, що він є більш складним у використанні, ніж розрахунок рівноважного складу.
Для визначення нерівноважного хімічного складу відпрацьованих газів газового двигуна з іскровим запалюванням пропонується використовувати систему з 25 диференціальних рівнянь із 25 невідомими, що базується на 121 хімічній реакції.
Порівняння результатів розрахунку з використанням одержаної математичної моделі з результатами експерименту показало, що похибка між цими результатами не перевищує 15 %.
Література
1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие для
ВУЗов / В.А. Звонов. - 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Машиностроение, 1981.
- 154 с.
2. Куценко А.С. Моделирование рабочих
процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ / А.С. Куценко. - К.: Наукова думка, 1988. - 104 с.
3. Зельдович Я.Б. Расчёты тепловых процес-
сов при высокой температуре / Я.Б. Зельдович, А.И. Полярный. - М.: НИИ №1, 1947. - 68 с.
4. Синярёв Г.Б. Жидкостные ракетные двига-
тели / Г.Б. Синярёв, М.В. Добровольский. - М.: Государственное изд-во оборонной промышленности, 1955. - 488 с.
5. Квасников В.А. Теория жидкостных ра-
кетных двигателей / В.А. Квасников. -Л.: Государственное союзное изд-во судостроительной промышленности, 1959.
- 542 с.
6. Кабанов А.Н. Основы использования при-
родного газа в качестве топлива для автомобильных двигателей: монография / А.Н. Кабанов. - X.: ХНАДУ, 2012. -240 с.
7. Gri Mech home page [Електронний ресурс]
/ M. Frenklach, T. Bowman,
G. Smith, B. Gardiner: http://www.me.
berkeley.edu/gri_mech/.
Рецензент: Ф.Г Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 9 жовтня 2012 p.
