CC BY
59
УДК 621.43.052
РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ИСКРОВОГО
ЗАЖИГАНИЯ
Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.Н. Кабанов, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Разработана методика расчётной оценки эколого-химических показателей газового двигателя с высокоэнергетической системой искрового зажигания. Проведен анализ результатов расчёта с использованием разработанной методики.
Ключевые слова: газовый двигатель, эколого-химические показатели, методика расчёта, кривая тепловыделения, расчётная оценка.
Введение
Одним из путей улучшения экологической ситуации на Украине, а также снижения экономических затрат на топливо является конвертация дизельных двигателей в двигатели, работающие на природном газе.
На кафедре ДВС ХНАДУ на базе дизеля ЯМЗ-236 был разработан газовый двигатель 6Ч13/14 с высокоэнергетической системой зажигания. Для выбора параметров рабочего процесса данного двигателя, обеспечивающих оптимальные экономические и экологические показатели на всех режимах работы, необходима разработка методики расчётной оценки эколого-химических показателей газового двигателя с высокоэнергетической системой искрового зажигания.
Анализ публикаций
Численное моделирование образования токсичных веществ в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием используется как в нашей стране [1], так и за рубежом [2, 3, 4]. Это связано с постоянным ужесточением требований, предъявляемых к содержанию компонентов, загрязняющих окружающую среду, в выхлопных газах автомобилей [5].
Одним из путей, который позволит обеспечить соответствие эколого-химических показателей ДВС жестким экологическим требованиям, является их конвертация на сжатый природный газ с использованием концепции «бедного горения», что означает работу двигателя при высоких значениях а [6]. Это определило цель данного исследования.
Цель и постановка задачи
Следовательно, целью данного исследования является разработка методики, позволяющей выполнить расчётную оценку эколого-химических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой искрового зажигания с целью выбора оптимальных значений коэффициента избытка воздуха а и угла опережения зажигания 0 для всех режимов работы двигателя.
Методика оценки эколого-химических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой искрового зажигания
Для решения поставленной задачи на базе методики, созданной в ИПМаш под руководством проф. Куценко А.С. [1], разработана методика оценки экологических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой искрового зажигания. Эта модель рассматривает цикл с реальным рабочим телом, которое имеет переменный состав и теплоемкость, зависящую от температуры. При этом приняты следующие допущения:
- используется уравнение состояния идеального газа;
- в каждый момент времени продукты сгорания находятся в химическом равновесии и состоят из следующих одиннадцати компонентов: N, O, H, N2, O2, H2, NO, OH, CO, CO2, H2O.
При расчетах принимается, что продукты сгорания представляют собой химически равновесную смесь одиннадцати веществ (N, O, H ,N2, O2, H2, NO, OH, CO, CO2, H2O), между которыми протекают семь обратимых реакций, приведенных в системе уравнений (1).
Стехиометрическая матрица Б для продуктов сгорания имеет размерность 7x11. Число столбцов матрицы равняется количеству веществ, которые принимают участие в реакциях, число срок - количеству реакций. Коэффициенты из правой части уравнений берутся со знаком «-», с левой - со знаком «+».
тарную матрицу Ъ размерности 4x11, каждый элемент которой представляет собой количество атомов /-го вида (/ = 1...4) в к-ом индивидуальном веществе (к = 1...11).
В матричной форме эти уравнения принимают вид
Согласно закону действующих масс может быть записана система уравнений равновесия для реакций (1).
1. С02 <---> СО+—02;
2 2 2
2. Н20<--->Н2+202;
3. Н20<->0Н+-Н2;
2 2
4. 1^+102<----->N0;
2 2 2 2
5. Н2 <->2Н;
6. 02 <->20;
(4)
(1)
7. N <----->2N.
В матричной форме эта система уравнений имеет следующий вид:
^•у = к(Т) ,
(2)
где к(Т) - символическое обозначение параметра, элементами которого являются логарифмы констант равновесия к,(Т) соответствующих реакций, которые зависят от температуры сгорания; у -символическое обозначение параметра, элементами которого являются логарифмы ук объёмномольных концентраций к-го индивидуального вещества в продуктах сгорания
Ук
= 1п(Ск ),
(3)
где Ск - мольная доля реагирующих веществ.
Таким образом, используя стехиометрическую матрицу, получаем систему семи линейных уравнений относительно массива одиннадцати неизвестных у.
Для решения системы (2) ее необходимо дополнить еще четырьмя уравнениями, чтобы количество уравнений совпадало с количеством неизвестных.
Для выполнения этой задачи семь уравнений системы (2) дополняются четырьмя уравнениями материального баланса, которые базируются на условии постоянного количества атомов О, Н, С, N в смеси при любых химических преобразованиях. Для записи этих уравнений введем элемен-
где р - плотность смеси; С - символическое обозначение параметра, элементами которого есть величины С{; ^ - символическое обозначение параметра, элементами которого являются отношения массовых долей элементов в веществе к их атомным массам.
В итоге, задача определения состава реагирующей смеси сводится к решению системы из одиннадцати линейных уравнений относительно одиннадцати неизвестных следующего вида:
р • у = р- £; г^у =р- і
(5)
Система уравнений (5) решается с помощью численного метода Ньютона.
В исходной методике [1] использовалось следующее уравнение расчёта кривой тепловыделения:
х = 0,5
^ ф-фо Л
1 - еоэ-------- •п
ф,
(6)
где ф0 - угол начала сгорания, град. ПКВ до ВМТ; фг - продолжительность сгорания, град. ПКВ.
Расчёт процесса сгорания с использованием уравнения (6) обеспечивает хорошее совпадение с экспериментальными результатами при расчёте бензиновых двигателей с обычным искровым зажиганием. Однако при расчёте газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания погрешность расчёта индикаторного КПД составляет более 10 %.
Для расчета процесса сгорания газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания в данную методику было интегрировано уравнение Вибе, видоизмененное с учетом использования переменного показателя т, что позволяет наиболее точно описать математически реальную кривую тепловыделения газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания
(
х = 1 - ехр
-6,908
т+1 Л
V ф, /
(7)
где m - показатель характера сгорания, m = var. Изменение показателя m в процессе сгорания учитывается уравнением (8)
т,. = 0,093 +13,866-1,-П ~0,01 +10,32 +...
' n-0,01 + 9,21
... +10,67-t,
а-1,9
.
а + 1
... -85,98-,,з П-0,089 +...
(8)
... + 69,78-t4
n-0,089 + 2,261 ©
© + 1,326
где ^ - относительное время, ti = 0.. .1; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; а -коэффициент избытка воздуха; 0 - угол опережения зажигания, град. ПКВ до ВМТ.
Зависимость (8) была выведена на основе данных, полученных при обработке экспериментальных индикаторных диаграмм. Погрешность определения индикаторного КПД в газовом ДВС с высокоэнергетической системой зажигания с использованием уравнений (7), (8) составляет не более 3%.
Для реализации данной методики на основе программы, разработанной в ИПМаш с использованием языка РОЯТКА^ была разработана комплексная программа расчёта рабочего процесса и экологохимических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания. В программу внесены изменения, связанные с интеграцией в методику уравнений (7), (8).
Проверка расчётной модели
Разработанная математическая модель была протестирована по данным, приведенным в [2, 3, 4]. В данных публикациях приводятся результаты экспериментального исследования восьмицилиндрового У-образного бензинового двигателя размерностью 101.6/88.4 и степенью сжатия 8.1. Эти результаты представляют собой полные исходные данные для приведенной модели, а также результаты замеров концентрации выбросов загрязняющих веществ. Разница между результами расчётов по предлагаемой методике и экспериментальными результатами, приведенными в [2, 3, 4], составила не более 4,2 %.
Исходные данные для тестового расчёта приведены в табл. 1.
Таблица 1 Исходные данные для расчёта тестового режима
Величина Обозначение Значение
Количество цилиндров і 8
Ход поршня, мм S 88,4
Диаметр цилиндра, мм D 101,6
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна 1 0,305
Открытие впускного клапана, °ПКВ до ВМТ Ф1 3
Закрытие впускного клапана, °ПКВ до ВМТ ф2 136
Открытие выпускного клапана, °ПКВ до ВМТ Ф3 116
Закрытие выпускного клапана, °ПКВ до ВМТ Ф4 11
Коэффициент избытка воздуха а 1,043
Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1 n 1400
Угол начала сгорания, °ПКВ до ВМТ - 20
Угол окончания сгорания, °ПКВ после ВМТ - 40
Степень сжатия S 8,1
Коэффициент остаточных газов Y 0,103
Давление на впуске, МПа Pa 0,052
Давление на выпуске, МПа Pr 0,105
Температура на впуске, К T 1 a 319
Температура на выпуске, К T 1 r 1238
Результаты расчётов
Результаты расчётов экологических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания при частоте вращения коленчатого вала п = 1000 мин 1 и Ne = 100 кВт приведены на рис. 1. На рис. 2. приведены экспериментальные значения удельного эффективного расхода топлива ge в зависимости от коэффициента избытка воздуха а для этого же режима.
Выбросы, г/(кВт- ч)
Рис. 1. Результаты расчётов экологических показателей газового ДВС с высокоэнергетической системой зажигания, пересчитанные в г/(кВт-ч)
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 а
Рис. 2. Зависимость среднего эффективного расхода топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха для газового ДВС 6Ч13/14 с высокоэнергетической системой зажигания
Для сравнения с экологическими нормами Euro полученные результаты расчёта переводились в г/(кВт-ч) с использованием методики, приведенной в [5].
Для сравнения в табл. 2 приведены экологические нормы Euro [5, 7] для двигателей грузовых автомобилей.
Таблица 2 Экологические нормы Euro
Индекс стандарта Нормы эмиссии, г/(кВт-ч)
К о £ CO CH
Euro III 5,0 5,45 1,6
Euro IV 3,5 4,0 1,1
Euro V 2,0 4,0 1,1
Из рис. 2 видно, что наименьшее значение ge для данного режима находится в районе а = 1,3. Если же рассматривать все возможные режимы работы газового ДВС 6Ч13/14 с высокоэнергетической системой зажигания, то значение коэффициента избытка воздуха, обеспечивающее оптимальные экономические параметры этого двигателя, будет изменяться в пределах а=1,25-1,31, в зависимости от режима. При таких значениях а, как видно из рис. 1, обеспечивается выполнение норм Euro IV. Однако, в случае необходимости обеспечения выполнения норм Euro V эту задачу можно выполнить за счёт увеличения коэффициента избытка воздуха до а = 1,5. Как видно из рис. 2, это приведёт к ухудшению экономичности двигателя на 9 %. Дальнейшее увеличение а нецелесообразно ввиду резкого снижения экономичности двигателя, а также увеличения содержания CH в отработавших газах.
Результаты расчётов хорошо согласуются с данными экспериментальных стендовых исследований газового двигателя КамАЗ-7406Т, созданного на базе дизельного ДВС КамАЗ-740.30-260 [6]. Этот двигатель устанавливается на городской автобус ЛиАЗ-5256.
Выводы
Предложена методика расчётной оценки экологохимических показателей газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания. В методику интегрирован закон сгорания Вибе, в котором используется уравнение, учитывающее изменение показателя m в процессе сгорания.
Методика расчёта протестирована при помощи экспериментальных данных, приведенных в [2, 3, 4]. Погрешность расчётов составляет не более 4,2%.
Наилучшие экономические показатели газового двигателя 6Ч13/14 с высокоэнергетической системой зажигания обеспечиваются при а = 1,251,31, в зависимости от режима.
Газовый двигатель 6Ч13/14 с высокоэнергетической системой зажигания, настроенный на обеспечение наилучших экономических показателей на любом режиме работы, удовлетворяет требованиям Euro IV.
Для выполнения норм Euro V необходимо увеличение значения коэффициента избытка воздуха до а=1,5, что приведёт к ухудшению экономичности двигателя на 9 %.
Литература
1. Куценко А.С. Математическое моделирование и идентификация рабочих процессов ДВС на альтернативных топливах: Дис. докт.
техн. наук: 05.14.05 / Институт проблем машиностроения. - Харьков, 1996. - 321 с.
2. Caton J. The effect of bum rate parameters on the
operating attributes of the spark-ignition engine as determined from the second law of thermodynamics // Proceedings of 2000 Spring Engine Technology Conference of the ASME-ICED. -San Antonio, TX: Southwest Research Institute.
- 2000. - P. 1-13.
3. Caton J. A multiple zone cycle simulation for
spark-ignition engines: thermodynamic details // Proceedings of 2001 Fall Technical Conference of the ASME-ICED. - Argonne, IL: Ar-gonne National Laboratory. - 2001. - P. 1-18.
4. Caton J. Detailed results for nitric oxide emissions
as determined from a multiple-zone cycle simulation for a spark-ignition engine // Proceedings of 2002 Fall Technical Conference of the ASME-ICED. - New Orleans, LA: Sheraton New Orleans. - 2002. - P. 1-18.
5. Гутаревич Ю.Ф., Зеркалов Д.В., Говорун А.Г.,
Корпач А.О., Мержиєвська Л.П. Екологія та
автомобільний транспорт: Навчальний посібник. - К.: Арістей, 2006. - 292 с.
6. Луканин В.Н., Хачиян А.С., Кузнецов В.Е.,
Шишлов И.Г., Хамидуллин Р.Х. Предварительные результаты разработки газового двигателя с наддувом мощностью 200 кВт // Двигатели внутреннего сгорания: проблемы, перспективы развития / Сб. научн. тр. - М: Изд-во МАДИ. - 2000. - С. 68-79.
7. Современные подходы к созданию дизелей для
легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков / Блинов А.Д., Голубев П.А., Драган Ю.Е. и др. / Под ред. Папонова В.С. и Минеева А.М. - М.: НИЦ «Инженер», 2000. - 332 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 17 января 2007 г.
