CC BY
62
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Calculation of diesel engine operation at hydrogen fuel
Kulakov V.
Расчет рабочего процесса дизельного двигателя на водородном топливе Кулаков В. А.
Кулаков Владимир Алексеевич /Kulakov Vladimir - кандидат технических наук, доцент, кафедра кибернетических систем, Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Аннотация: описаны общие положения расчета рабочего процесса дизельного двигателя с использованием водородного топлива. Рассмотрены исходные параметры. Приведены результаты расчетов в виде графиков давления, температуры и состава газов в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Abstract: describes the General provisions of the calculation of diesel engine operation by using hydrogen fuel. Considered the original settings. Results of calculations in the form of graphs ofpressure, temperature and composition of gases in the cylinder depending on the angle of rotation of the crankshaft.
Ключевые слова: расчет, рабочий процесс, химическая реакция, тепловыделение, давление, температура.
Keywords: calculation, working process, chemical reaction, heat, pressure, temperature. Введение
Использование альтернативных топлив, в частности водородного топлива, является актуальным направлением в современном двигателестроении.
При полном сгорании водорода выделяется только вода и в небольших количествах остальные нетоксичные соединения водорода.
Таким образом решается задача не только уменьшения токсичности двигателей, но и замены тяжелого углеводородного топлива на водород.
В разработанных ранее программах [7, 8, 9] в качестве топлива рассматривалось дизельное топливо. Использование водорода как топлива значительно упрощает расчеты.
1. Геометрия цилиндра двигателя и исходные параметры рабочего процесса
Основными геометрическими параметрами являются: D - диаметр цилиндра; S - ход поршня;
Vc - минимальный объем цилиндра в верхней мертвой точке - ВМТ; Vs - рабочий объем цилиндра;
Va - объем цилиндра в момент закрытия выпускных клапанов. Также основным геометрическим параметром рабочего процесса является степень сжатия:
E = (Vs + Vc)/V,
Кроме того, для расчета изменения объема цилиндра во времени по уравнению кровошипно-шатунного механизма необходимо задавать радиус коленчатого вала: Икв.
впускной клапан
Рис. 1. Геометрия цилиндра двигателя
Основными исходными параметрами рабочего процесса являются:
п - скорость вращения коленчатого вала 1/тш;
Та - температура в цилиндре в конце сжатия;
pa - давление в цилиндре в конце сжатия;
^ - цикловая подача топлива;
М02 - масса кислорода в конце сжатия;
Мж - масса азота в конце сжатия;
Мех - масса остаточных газов в конце сжатия;
Тс - средняя температура стенок цилиндра.
2. Расчет термодинамических параметров в цилиндре
Для расчета изменения температуры в цилиндре в интервале времени Дг с номером т используем уравнение теплового баланса:
(Тт-Тт-ОХС^Мпп = Дг-ДОцил/Л - ¿О^нки/Л) - ДА, (1) где М1т, СУ1 - полная масса и теплоемкость 1-го компонента смеси газов в цилиндре в момент времени т,
¿О^/Л - скорость тепловыделения в цилиндре при горении топлива, ¿Остеит/^ - скорость теплоотвода в стенки цилиндра, ДА - работа сил давления.
Из этого уравнения легко найти приращение температуры за интервал времени т:
Тт = Тт-1 + ( Дг-ДОцилМ! - арСтенкиМ1) - ДА У^С^М (2) Зная температуру и состав газов, находим давление в цилиндре в момент времени т:
Рт = ЯТт-ЕМт/ ^ (3) где - £М1т - общее число молей заряда в цилиндре в момент времени т.
3. Расчет химических процессов
Так как впрыскивание Н2 происходит в начале сжатия, мы можем предположить, что Н2 и свежий заряд воздуха хорошо перемешаны. И мы можем рассчитывать скорости химических реакций по всему объему цилиндра ^ил ^цил есть функция от угла поворота коленчатого вала двигателя ^ш(ф), см3).
Типичные параметры реакций взяты из [1, 2, 3, 4]. Параметры констант реакций различаются в разных источниках, но по возможности выбирались параметры для интервала температур 1500-2500 С.
Полный набор химических реакций приведен в [6].
Аррениусовская форма константы химической реакции имеет следующий вид:
k = ATnexp(-Ea/RT), cm3/(molesec). (4) Например, для реакции
H2 + OH = H2O + H (5) мы имеем скорость уменьшения Н2 в целом по объему цилиндра:
dMm/dt = -k-(Mm/ VCylHMOH/ Vcyl)^ Vcyl,mole/sec, (6) где k - константа реакции (1), MH2, MOH, MH2O массы H2, OH, H2O в молях в объеме V^.
Зная скорость уменьшения Н2, мы можем рассчитать скорости появления/уменьшения OH, H2O and H в объеме V^ :
dMOH/dt = dMm/dt, mole/sec, (7) dMH2O/dt = - dM H2/dt, mole/sec, (8) dMH/dt = - dM H2/dt, mole/sec. (9) Используя уравнение 6, мы можем рассчитать изменение массы Н2 в цилиндре за интервал At с номером m:
MH2,m - MH2,m-l = dMm/dt^At. (10) Аналогичные уравнения мы имеем для скоростей изменений других компонент. По ним мы можем рассчитать массу каждой компоненты для каждого угла поворота коленчатого вала, начиная с момента сжатия. 4. Расчет параметров тепловыделения Скорость выделения энергии в объеме V^ за счет реакции H2 + OH = H2O + H следующая:
(dQreact/dt) 1 = (HH2O+HH-HH2-HOH)-dMm/dt, J/sec, (11) где энтальпии компонент HH2O, HH, HH2, HOH рассчитываются как функции от Т. Например, для Т = 1500К:
HH2O(T) = -dHH2O (298K)+cp( 1500) • (T-298), J/mole. (12) Здесь cp(1500) - удельная теплоемкость при постоянном давлении и температуре 1500.
Суммируя (dQreact/dt)i по всем реакциям, мы получаем полную скорость тепловыделения в цилиндре:
dQцил/dt = X(dQreact/dt)i . (13) Теперь мы можем использовать dQ^/dt в уравнении 2. Результаты расчетов
В расчетах предполагается использование турбокомпрессора и взяты следующие исходные параметры рабочего процесса: S/D = 14см/13 см, степень сжатия = 16.5, n = 2000 об/мин,
Pa = 0.15MPa, Ta = 436K, mO2 = 0.406 г = 0.0127 mole, mN2 = 1.335 г = 0.0477 mole, mH2 = 0.0431 г = 0.215 mole.
В начальных расчетах впрыскивание Н2 подразумевается в начале сжатия перед закрытием впускных клапанов. Воспламенение Н2 оказывается возможным при использовании предварительного сжатия свежего заряда в турбокомпрессоре со степенью сжатия Pc/P0 = 1.3 и выше.
Оптимальные параметры рабочего процесса достигаются при Pc/P0 =1.7 и H2 mole/O2 mole = 1.7 перед закрытием впускных клапанов. Результаты расчетов масс компонентов, давления и температуры как функций от угла поворота коленчатого вала (угла ПКВ) представлены на рис. 2.
Рис. 2. Горение водорода в цилиндре подача Н2 перед закрытием впускных клапанов КПД = 0.51, Рг = 1.47МРа, N1 = 45.7кВт/цил
Если известна объемная скорость реакции в каждый момент времени, нетрудно рассчитать вклад каждой реакции из таблицы на рис. 2. в изменение масс компонент в цилиндре в процессе горения, например, изменение водорода за счет реакции с номером 5 (Н2 + О = ОН + ОН) к моменту времени т можно рассчитать, суммируя изменение Н2 за счет реакции 5 по всем интервалам времени, начиная с начального с номером 0:
Мн2,5,т = Мн2,0 - ХаМШД1 , 1 = 0, т (14) где Мн20 - начальное количество водорода.
Относительное уменьшение Н2 к моменту времени т за счет реакции 5 будет:
РН2,5 = Мн2,5 / МН2,0 (15) Графики изменения компонент за счет некоторых реакций приведены на рис. 3.
Рис. 3. Влияние различных реакций на изменениесостава газов в цилиндре в процессе горения
Имея разработанную модель и отлаженную программу, мы можем моделировать рабочий процесс при различных условиях. Топливо можно впрыскивать не только перед закрытием впускных клапанов до начала сжатия (во впускную систему), но и в конце такта сжатия перед ВМТ (верхней мертвой точкой). Результат такого расчета представлен на рис. 3. Параметры этого рабочего процесса несколько лучше. Правда технологически осуществить такой способ подачи топлива через форсунки сложнее, но есть возможность использовать имеющуюся топливную аппаратуру.
Рис. 4. Горение водорода в цилиндре подача Н2 перед ВМТ КПД = 0.57, Pi = 1.8MPa, Ni = 55.6кВт/цил
Результаты на рис. 4. получены при степени наддува pc/p0 = 1.5 и H2mole/O2mole = 1.44.
Часть мощности и КПД теряются при турбо наддуве и впрыскивании топлива. Эту часть потерь мы можем оценить, проведя расчеты без горения (обнулив константы химических реакций). Величины потерь мощности и КПД можно видеть на рис. 4.
Заключение
Следующим этапом моделирования может быть включение в расчеты образование окислов азота NOx [8].
Также интересно будет рассмотреть воспламенение при концентрациях водорода в цилиндре близкой к гремучей смеси:
MH2, mole/MO2, mole = 2.
Литература
1. Кондратьев В. Н. Константы скорости газофазных реакций. - М.: Наука, 1970, 351 с.
2. Baulch D. L. et al. Evaluated Kinetic Data for High Temperature Reactions, Vol. 1.: Homogeneous Gas Phase Reactions of the H2-O2 System, Butterworth, London, 1976.
3. Warnatz J. at al, Combustion Chemistry. Springer, New York, 1984.
4. Басевич В. Я. Детальные кинетические механизмы горения гомогенных газовых смесей с участием кислородсодержащих окислителей. Успехи химии, 1987, 56: 5, с. 705-731.
5. Basevich V. Ya., Chemical Kinetics in the combustion processes. In Handbook of heat and mass transfer. V. 4, Ed. Cheremisinoff N., Houston, Gulf. 1990.
6. Кулаков В. А. Моделирование горения водорода в условиях дизельного двигателя // Вестник кибернетики. Тюмень: Изд-во ИПОС СО РАН, 2014. No 4(16). http://www.ipdn.ru.
7. Барсуков С. И., Кулаков В. А. Термогазодинамическая связь процессов подвода и выгорания топлива в дизелях, Л. Двигателестроение, 1988, № 2, с. 56-59.
8. Vladimir A. Kulakov, Modeling of Diesel Engine Operation, SAE paper 911790, 1993.
9. Vladimir Kulakov, Guenter Merker, Nitrogen Oxidizing in Modeling of Diesel Engine Operation, SAE paper 952063, 1995.
10. Baulch D. L. at al. Evaluated kinetic data for combustion modeling, J. Phys. Chem. Ref. Data, V. 21, 1992.
11. Tsang W.; Hampson R. F. Chemical kinetic data base for combustion chemistry. Part I. Methane and related compounds: J. Phys. Chem. Ref. Data, V. 15, 1986.
12. Cohen N., Westberg K. R. Chemical kinetic data sheets for high-temperature chemical reactions, J. Phys. Chem. Ref. Data, V. 12, 1983.
Synthesis of layout schemes machine-assembling shops Usachev Yu.
Синтез компоновочных схем механосборочных цехов
Усачев Ю. И.
Усачев Юрий Ильич / Usachev Yuriy - кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, факультет машиностроительных технологий,
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: приведены методика и пример синтеза компоновочной схемы цеха. Предлагаемая методика применяется при выполнении практических работ. Abstract: the methodology and an example of the synthesis of the layout scheme of the shop. The proposed method is used for performing practical work.
Ключевые слова: компоновочная схема, мощность грузопотока. Keywords: layout scheme, power flow products.
Процесс разработки компоновочного плана включает этапы синтеза структуры цеха, определения организационной формы механосборочного производства, процедуру принятия решения о взаимном размещении участков, которые формируют компоновочную схему цеха [1...5]. При одинаковых исходных данных может быть получено множество вариантов, каждое из которых будет отличаться не только расположением участков, но и одним из важных показателей - мощностью грузопотока.
К настоящему времени, в основном, сформировались основные принципы и правила разработки компоновочных схем. Однако, в большинстве учебной и справочной литературы приводятся рекомендации без подробного анализа принимаемых решений. Поэтому в работе рассмотрен практический пример выполнения одного из главных этапов проектирования цеха, а именно, разработке компоновочной схемы. Известно, что на данном этапе решаются три задачи размещения производственных, вспомогательных участков, отделений и служб. К первой из них относится выбор варианта размещения сборочных участков (цехов) по отношению к механическим. Решение второй задачи сводится к определению расположения вспомогательных отделений и участков по отношению к производственным. К последней задаче относится выбор варианта расположения вспомогательного здания относительно производственного здания. При этом должны быть учтены выполнение таких принципов: простота связей рабочих мест со вспомогательными помещениями, учитывая, что предельные расстояния от рабочих мест до вспомогательного здания должно быть не более 75 м.;
