article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(88)/2012
Stanisław W. Kruczyński1, Janusz Januła2, Maciej Kintop3
OBLICZENIA SYMULACYJNE POWSTAWANIA NOX i CO PRZY SPALANIU
OLEJU NAPĘDOWEGO I OLEJU RZEPAKOWEGO W PROGRAMIE
AVL FIRE
1.Wstęp
Jednym z największych problemów współczesności oprócz daleko posuniętej
dewastacji środowiska naturalnego jest wyczerpywanie bogactw naturalnych w tym
surowców energetycznych do których należą paliwa. Gwałtowny wzrost konsumpcji
energii spowodowany jest przez dwa główne czynniki: rewolucję naukowo techniczną,
której wyznacznikiem jest np. lawinowy rozwój motoryzacji, jak również gwałtowny
wzrost liczby ludności. Nasza cywilizacja w ciągu ostatniego stulecia zużyła ok. 2/3
całkowitej energii pierwotnej której źródła są ograniczone i wyczerpywalne. Najbardziej
racjonalnym rozwiązaniem tego problemu jest zapewnienie w latach przyszłych daleko
idącej intensyfikacji działań zapewniających zrównoważony rozwój odnawialnych
źródeł energii w tym paliw odnawialnych. Takie postępowanie jest uzasadnione z tego
względu, iż cechą charakterystyczną odnawialnych paliw jest fakt, że ich zasoby w
zasadzie nie zmniejszają się w wyniku wykorzystania ich przez człowieka. Do paliw
tych należą również stosowane do sterowanego spalania w komorze tłokowego silnika
spalinowego oleje roślinne [2, 5].
Proces wtrysku paliwa do komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym ma
zasadniczy wpływ na osiągi i emisję silnika. W dobie coraz intensywniejszych
poszukiwań paliw alternatywnych analiza parametrów procesu tworzenia mieszanki
spalania i tworzenia toksycznych składników spalin paliw alternatywnych i porównanie
ich do konwencjonalnego oleju napędowego pozwala na optymalizację tego procesu pod
kątem osiągnięcia maksymalnej sprawności cieplno-mechanicznej silnika oraz
ograniczenia jego emisji [3, 4]. Program komputerowy FIRE firmy AVL umożliwia
przeprowadzenie między innymi symulacji procesu spalania oraz pozwala na analizę
przebiegu temperatury i ciśnienia w komorze spalania, co bardzo znacząco ogranicza
nakłady związane z badaniami stanowiskowymi silnika oraz w sposób przejrzysty
wizualizuje zjawiska zachodzące w komorze spalania silnika.
Symulacja procesu spalania i wtrysku opiera się na modelu przepływu
wielofazowego i wymaga numerycznego rozwiązania równań zachowania masy i pędu
dla fazy gazowej i ciekłej jednocześnie. Polega ona na rozwiązaniu równań
różniczkowych m.in. pędu, ruchu, czy transferu masy dla pojedynczych kropel,
zgrupowanych w zbiory identycznych (ang.: parcel)., nie oddziałujących między sobą
kropel o takich samych wartościach wielkości fizycznych je opisujących. Jeden element
pakietu reprezentuje stan wszystkich w nim zawartych. Pakiety kropel wprowadzane są
do przepływu z warunkami początkowymi, tj. położeniem, rozmiarem, prędkością i
1
2
3
prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
dr inż. Janusz Januła, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska,
inż. Maciej Kintop, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
69
liczbą cząsteczek w pakiecie. Program AVL FIRE obsługuje wprowadzanie kropel
powstających jako „spray” i wchodzących do przepływu jako mieszanina gazów i
cieczy. Rozmiary kropel determinowane są różnymi rozkładami, np. rozkładem Gaussa.
Proces rozpylenia strugi paliwa jest obliczany w odrębnych pod modelach. Wymiana
pędu między fazą ciekłą a gazową, rozdrobnienie kropel na wskutek turbulencji, ich
odparowanie, rozpad wtórny, odbijanie się od siebie oraz interakcja ze ściankami
komory spalania, są opisane kompleksowo odrębnymi modelami. Tym samym użycie
programu dla obliczeń numerycznych wtrysku paliwa jest wiarygodne dla procesów
zachodzących w fazie przygotowania jak również spalania mieszanki paliwowopowietrznej [1]. Użycie programu AVL FIRE umożliwiło na przeprowadzenie analizy
wpływu właściwości oleju napędowego i oleju rzepakowego na [1]:
 przebieg średniej temperatury w komorze spalania,
 przebieg średniego ciśnienia w komorze spalania,
 przebieg stężenia tlenków azotu w komorze spalania,
 rozkład temperatur w przestrzeni komory spalania.
Uwagi na istotne różnice w gęstości oleju napędowego i rzepakowego i ich wpływem na
proces wtrysku, badania symulacyjne przeprowadzono dla zmiennych temperatur
paliwa.
2. Zakres badań
Badania symulacje przeprowadzone zostały dla silnika o zapłonie samoczynnym i
wtrysku bezpośrednim z otwartą komorą spalania w denku tłoka o następujących
parametrach geometrycznych :
 średnica tłoka: 80mm
 skok tłoka: 84mm
 długość korbowodu: 137mm
Parametry wejściowe do badań symulacyjnych:
 zakres analizy od 180 do 490 oOWK,
 prędkość obrotowa silnika 1800 obr/min,
 zakres temperatur paliwa od 280K do 315K.
 czas trwania wtrysku paliwa 1.0,1.5,3.0 ms,
 kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa αw = 6[oOWK],
 dawka paliwa 19 mm3 ,
 średnica otworu wtryskiwacza paliwa 0,17 mm
 ciśnienie początku suwu sprężania ps [Pa] 120 000
 temperatura początku suwu sprężania T sp [K] 330
 średnia temperatura tłoka Tt [K] 560
3. Wyniki badań symulacyjnych
Wybrane wyniki badań symulacyjnych przedstawiono na rys. 1-4.
Na rys. 1 oraz rys. 2 przedstawiono rozkłady lokalnych temperatur w przestrzeni komory
spalania dla czasu trwania wtrysku paliwa t = 1,5 ms dla temperatury paliwa 305K w
zakresie 363-380°OWK natomiast na rys. 3 oraz rys.4 przedstawiono przebiegi średnich
ciśnień oraz temperatur spalania silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla OR
oraz ON w zakresie zmian czasu wtrysku paliwa t=1,0 ms, t=1,5 ms t=3,0 ms dla
temperatury paliwa 325 K .
70
Rys. 1. Przykładowy rozkład temperatur w komorze spalania dla ON i OR dla
363oOWK
Rys. 2. Przykładowy rozkład temperatur w komorze spalania dla ON i OR dla
380oOWK
Z rozkładu lokalnych temperatur wynika, że większe wartości temperatur spalania
występują w dolnych strefach komory spalania . Porównując paliwa można stwierdzić
wyższe temperatury charakteryzują spalanie oleju rzepakowego jak również , że wyższe
maleją z wzrostem czasu podawania paliwa.
Na rys. 3 a-b przedstawiono przebiegi średnich temperatur oraz ciśnień w komorze
spalania silnika zasilanego olejem napędowym i olejem rzepakowym .
a)
b)
)
Rys. 3. Średnie temperatura (a) oraz ciśnienie (b) w funkcji kąta obrotu wału korbowego
Z przebiegów średnich ciśnień spalania wynika, ze wyższe ciśnienia występują dla
zasilania OR i rosną z skracaniem czasu podawania paliwa. Podobne zależności
występują dla przebiegów zmian temperatury w komorze spalania przy czym z
wzrostem czasu podawania paliwa rośnie temperatura w końcu spalania co wpływa na
wzrost obciążeń cieplnych układu wydechowego.
71
Na rys. 4 a-b przedstawiono przebiegi stężeń tlenków azotu i tlenku węgla w komorze
spalania silnika zasilanego olejem napędowym i olejem rzepakowym .
a)
b)
Rys. 4 a-b. Stężenia tlenków azotu (a) i tlenku węgla (b) w funkcji kąta obrotu wału
korbowego
Z przebiegu stężeń tlenku węgla wynika, że większe wartości stężeń występują dla
zasilania silnika OR i maleją z wzrostem czasu podawania paliwa. Z przebiegów stężeń
tlenków azotu wynika, że większe wartości stężeń również występują dla zasilania
silnika OR i maleją z wzrostem czasu podawania paliwa na co bezpośredni wpływ mają
przebiegi temperatur oraz ciśnień w komorze spalania silnika.
4.Wnioski
Wyższe wartości zarówno temperatury jak i ciśnienia w komorze spalania
występują dla zasilania olejem rzepakowym i mogą być wywołane większą zawartością
tlenu w cząsteczce paliwa. Wyniki dotyczące wielkości stężeń tlenków azotu jak i tlenku
węgla wskazują, że wyższe wartości stężeń występują dla zasilania silnika olejem
rzepakowym i wielkości te maleją wraz z wzrostem czasu podawania paliwa. Wyniki
porównawczych badań symulacyjnych umożliwiają wstępna ocenę paliw oraz dobór
parametrów wtrysku paliwa oraz kształtu i parametrów geometrycznych komory
spalania. Badania symulacyjne wymagają weryfikacji poprzez przeprowadzenie
wieloparametrycznych badań na stanowisku silnikowym.
Literatura
[1]. Materiały szkoleniowe firmy AVL,
[2]. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym;
Warszawa 2008 WKŁ,
[3]. Lotko Wincenty: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi
i roślinnymi, WNT 1997,
[4]. http://www.pae.org.pl/eusew/zaloczniki/Biopaliwa_Jakobiec_Janusz.pdf,
[5]. http://www.pan-ol.lublin.pl/wydawnictwa/Motrol6/Bochenski.pdf.
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych CFD, wykonanych w
programie AVL Fire, dotyczących powstawania i emisji NOx i CO przy spalaniu oleju
napędowego i rzepakowego. Zawarta została również analiza uzyskanych przebiegów
uśrednionych temperatur i ciśnień oraz stężeń tlenków azotu i tlenku węgla w komorze
72
spalania w funkcji obrotu wału korbowego oraz lokalnego rozkładu temperatury w
komorze spalania i jego wpływu na formowanie się związków toksycznych.
Sformułowano wstępne wnioski dla optymalnych warunków spalania do uzyskania
najniższego stężenia NOx i CO w gazach wylotowych.
Słowa kluczowe: wtrysk, symulacja, AVL, olej rzepakowy, olej napędowy
SIMULATION OF NOX AND CO FORMING DURING THE COMBUSTION
PROCESS OF DIESEL AND RAPESEED OIL FUELS IN AVL FIRE
Abstract
The paper presents the results of CFD simulations obtained with AVL Fire
software about generation and emission of NOx and CO as a result of combustion of
diesel and rapeseed oil fuels. Analysis of obtained parameters of combusion, such as
mean pressure and temperature, local temperature and its influence on toxic compounds
formation was also included. The conclusions about optimal coditions of combustion to
obtain the lowest NOx and CO concentration in exhaust gases were made.
Keywords: injection, simulation, AVL, rapeseed oil, diesel
73