РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

АННОТАЦИЯ

В исследовательской работе изучено влияние начальных параметров на процесс горения бензина, приведены результаты численного моделирования, оценивающие влияния коэффициента переизбытка воздуха λ=1,5 в камере сгорания на распределение температуры и образования концентрации углекислого газа. Исследования проводились с использованием компьютерной программы пакетов KIVA-II. Установлено максимальное значение СО2 равной 0,1386 г/г, при соответствующей максимальной температуре 2355 К.

ABSTRACT

In the research work, the influence of initial parameters on the gasoline combustion process is studied, numerical simulations are given that estimate the influence of the air excess coefficient λ = 1.5 in the combustion chamber on the temperature distribution and the formation of carbon dioxide concentration. The research was carried out using the computer program KIVA-II packages. The maximum value of CO2 is set to 0,1386 g/g, at the corresponding maximum temperature of 2355 K.

Ключевые слова: численное моделирование, KIVA-II, , СО2, жидкое топливо, камера сгорания, бензин.

Keywords: numerical simulation,KIVA-II, spray angle, CO2, liquid fuel, combustion chamber, gasoline.

Сегодня нормы выбросов дизельных двигателей во всем мире становятся более строгими, учитывая что примерно 90% всей энергии, употребляемой во всем мире, выходит в результате процессов сжигания. Годичное скопление нефтешлама во всем мире составляет 160 миллионов тонн, а ежегодное всемирное скопление проработанного трансмиссионного масла превосходит 20 миллионов тонн, что подчеркивает масштабы экологической угрозы [1].

Следовательно, жизненна разработка систем сгорания двигателя, которые снабжают топливную экономичность дизельного двигателя, но с невысокой степенью дыма и выбросов NOx и СО2. Таким образом, горение с воспламенением от сжатия с предварительной смесью представляет собой занимательный порядок достижения очищенного и эффективного двигателя. Впрочем, применение горючего с высокой реакционной способностью, подобного как дизельное топливо, приводит к сложной и дорогостоящей установки двигателя. Испытанным методом преодоления данного недостатка является динамичное наблюдение реакционной способности топлива с применением горючего с низким цетановым числом, такого как бензин [6].

Для решения важных задач необходимо развернуто анализировать сам процесс горения, поэтому обширное распространение в технике и науке получают методы численного моделирования. Прогнозируя последующее увеличение значимости численного эксперимента, важно заметить что, компьютерное моделирование становится одним из значительных элементов исследования процессов горения и проектирования разных установок, сжигающих жидкое топливо [2]. Однако неправильно говорить о полной замене опытных исследований численными расчетами, так как моделирование открывает новые перспективы для изучения физических процессов, имея свои собственные методы, определенные трудности и свою личную сферу применения [2].

Цель данной работы является изучение влияния  начальных параметров на процесс сгорания жидкого топлива на основе программы KIVA-II для численного расчета двух и трехмерных, реагирующих жидких потоков с впрысками [3] [4]. Метод математического моделирования является эффективным и экономичным методом глубокого детального анализа турбулентных процессов тепло и массообмена [5].

В работе [8] было обнаружено, что скорость образования оксидов азота увеличивается с повышением температуры горения, особенно выше 1600 К. Среди многочисленных вредных для окружающей среды компонентов в выхлопных газах наиболее трудно ограничить выбросы NOx и СО2. Высокая температура и избыток воздуха в цилиндре двигателя делают подходящие обстоятельства ради их образования. Для снижения температуры течения горения предполагается сжигание обедненной топливовоздушной смеси. Это эффективно воздействует для ограничения выбросов NOx и СО2 [8]. Что касается коэффициента избытка воздуха λ горючей смеси, нормальные двигатели с искровым зажиганием соответственно действуют в тесном спектре от 0,995 до 1,005, то есть приблизительно в стехиометрическом равновесии воздуха и топлива. Это условие необходимо ради 3-полосного каталитического нейтрализатора, кой в этом спектре λ функционирует с предельной эффективностью в отношении сокращения содержания NOx. Сжигание небедных смесей (λ < 1) экономически неосновательно благодаря присутствия горючих веществ в выхлопных газах, следовательно, замечается более высокие затраты топлива. С другой стороны, сжигание обедненной смеси (λ > 1) приводит к увеличению длительности сгорания [9] и огромной непостоянности в работе двигателя, а также повышению выбросов HC и CO. следовательно в качестве вероятного решения для преодоления данных недостатков предложена двухступенчатая концепция сгорания с предварительной камерой [7].

Методы.

Бензин - смесь легких углеводородов разного состава, температура кипения 30 - 205°С, бесцветный. Он легче воды, имеет плотность 0,70 - 0,78 г/см3, застывает при -60°C. Бензин - легколетучее, легковоспламеняющееся вещество, смесь паров с воздухом взрывоопасна, применяется как авиационное, автомобильное, дизельное и ракетное топливо, получаемое путем перегонки сырой нефти. На транспортный сектор приходится более 20% всемирного пользования энергии. Прогрессирующий спрос на транспортную энергию и все более требовательные правила выбросов активизируют исследования в области сгорания и двигателей к более чистым и эффективным решениям. Реакция горения бензина  с образованием воды и углекислого газа  следующая:

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O

Расчеты проводились при значении переизбытка воздуха λ=1,5 и эффективном значении массы m = 18 мг при моментах времени 1,5 мс, 2,5 мс и 4 мс. Приводятся распределения концентрации продуктов реакции горения бензина (углекислый газ) в данные моменты времени.  

Жидкое топливо распыляется через сопло, расположенное в середине основания цилиндрической камеры с начальной температурой 300 К, высотой 15 см и радиусом 2 см. Топливо впрыскивается в камеру сгорания, которая заполнена воздухом при температуре 900 К, происходит процесс быстрого испарения и сгорает в газовой фазе. Процесс горения жидкого топлива в среднем занимает 4 мс. Время распыления жидкого топлива равно 1.4^.10^-3 с. Количество контрольных ячеек - 600. Температура стенок камеры сгорания равна 353 К. Площадь сопла инжектора составляет 2·10^-4см².

Рисунок 1. Геометрия камеры сгорания

Проведение расчетов и описание полученных результатов.

На рисунке 2 показано изменение концентрации паров бензина в момент времени t = 1,5 мс, t = 2,5 мс и t = 4 мс в соответствии с начальной температурой окислителя 1000 К и при значении коэффициента переизбытка воздуха λ=1.5.

Наблюдается уменьшение объем топлива в камере из-за высокой турбулентности. В момент времени 1,5 мс в результате горения бензина на оси камеры сгорания пары топлива рассеиваются до 1,5 см. Концентрация паров бензина в остальной части камеры сгорания минимальна. Исследуя рисунки важно заметить что, бензин очень быстро испаряется, пары топлива смешиваются с окислителем, полученная смесь воспламеняется и сгорает за 2,5 мс. В данные моменты времени образуется минимальная концентрация паров бензина, равная 0,01 г/г.

Рисунок 2. Поле концентрации паров топлива в разные моменты времени: а) t = 1,5 мс, б) t=2,5 мс,  в) t = 4 мс.

На рисунке 3 представлено распределение температуры в пространстве камеры сгорания при переизбытке воздуха, равной 1,5, в различные моменты времени 1,5 мс, 2,5 мс и 4 мс, соответственно. На этих графиках можно увидеть, как меняется температура в камере сгорания в данные моменты времени. Анализируя рисунок 3 б, при горении бензина в момент времени t=2,5 мс область максимальных температур распределяется по радиусу до 3 см по ширине камеры сгорания, а остальная часть камеры нагревается до 1000 К. В данный момент времени топливо начинает быстро воспламеняться, охватывая факелом объемную площадь по ширине камеры сгорания. Максимальная температура в камере сгорания составляет 2355 К, т.е. максимальное значение.

Рисунок 3. Поле температуры в разные моменты времени а) t = 1,5 мс, б) t = 2,5 мс, в) t = 4 мс.

На рисунке 4 представлены результаты численного моделирования углекислого газа, образующегося в процессе горения бензина. Анализ рисунков показал, что интенсивное образование углекислого газа при горении бензина, в камере сгорания достигает своего максимального значения 0,1386 г/г. Распределение по камере при 2.5 мс достигает максимального значения, высота составляет 3.5 см (рис. 4 б).

При горении бензина во времени 1,5 мс образование углекислого газа поднимается по оси камеры сгорания в области до 2,5 см по высоте камеры. Наименьшее значение образующегося в результате горения бензина равно 0,009904 г/г, соответствует начальной стадии горения по времени 1,5 мс (рис. 4 а). На выходе из камеры сгорания концентрация углекислого газа медленно уменьшается и принимает минимальное значение (рис. 4 в).

Рисунок 4. Распределение концентрации CO2 углекислого газа, образующегося в результате горения бензина в разные моменты времени: а) t = 1,5 мс, б) t = 2,5 мс, б) t = 4 мс.

Выводы.

В исследовательской работе были проведены вычислительные эксперименты, в результате получены распределения средних концентраций компонентов реакции и поля средних температур в камере сгорания для бензина при переизбытке воздуха λ=1,5 в различных моментов времени. Учитывая среднюю концентрацию СО2 0,1386 г/г (рис.4), смесь (λ < 1) является богатой, что экономически неоправданно из-за наличия горючих веществ в выхлопных газах, следовательно, наблюдается более высокий расход топлива. Однако, является благоприятной для уменьшения выбросов HC и CO2. До 1,5 мс горения не происходит и эти вещества не образуются. Максимальное образование этих веществ наблюдается в центре факела, где наблюдаются высокие температуры.

Полученные результаты позволяют выбрать оптимальный вариант организации процесса горения жидкого топлива с целью повышения эффективности камеры сгорания и уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду.

Список литературы:

1. Anufriev I. S. Review of water/steam addition in liquid-fuel combustion systems for NOx reduction: Waste-to-energy trends //Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Т. 138. – С. 110665.
2. Аскарова А. С. и др. Исследование процесса горения жидкого топлива при изменении скорости впрыскиваемых капель //Вестник КазНУ, серия физическая. – 2008. – №. 1. – С. 25.
3. Аскарова А. С. и др. Численное моделирование горения и самовоспламенения двухфазных химически реагирующих течений с впрысками //Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2009. – Т. 315. – №. 4.
4. Amsden A.A., O'Rourke P.J., Butler T.D. KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays. - Los Alamos, 1989. - 160 р.
5. A.S. Askarova, S.A. Bolegenova, S.A. Bolegenova, I.E. Berezovskaya, etc Computer simulation of liquid fuel combustion in developed turbulence using the soot formation and oxidation model Alternative Energy Sources, Materials & Technologies AESMT’20, Procceding of short papers. -2020. – Vol. 2 - pp. 43-44.
6. Payri R. et al. Hydraulic behavior and spray characteristics of a common rail diesel injection system using gasoline fuel. – SAE Technical Paper, 2012. – №. 2012-01-0458.
7. Roubaud A., Favrat D. Improving performances of a lean burn cogeneration biogas engine equipped with combustion prechambers //Fuel. – 2005. – Т. 84. – №. 16. – С. 2001-2007.
8. Szwaja S., Jamrozik A., Tutak W. A two-stage combustion system for burning lean gasoline mixtures in a stationary spark ignited engine //Applied Energy. – 2013. – Т. 105. – С. 271-281.
9. Szwaja S. et al. Sewage sludge producer gas enriched with methane as a fuel to a spark ignited engine //Fuel processing technology. – 2013. – Т. 110. – С. 160-166.