PALIWA DO SILNIKÓW SPALINOWYCH W UJĘCIU PROGRAMÓW

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(92)/2013
Stanisław W. Kruczyński1, Marcin K. Wojs2
PALIWA DO SILNIKÓW SPALINOWYCH W UJĘCIU PROGRAMÓW
SYMULACYJNYCH
1. Wstęp
Rosnące zainteresowanie paliwami odnawialnymi wymusiły na producentach
oprogramowania do symulacji pracy silników spalinowych rozszerzenie bazy
dostępnych paliw. Początkowo do wyboru były paliwa najbardziej popularne, czyli olej
napędowy, benzyna i paliwa alkoholowe. Następnie kiedy nabrały znaczenia paliwa
gazowe typu LPG czy CNG zostały wprowadzone paliwa gazowe takie jak metan czy
propan-butan. Obecnie dostępność paliw z estrów olejów roślinnych wymusiła zmianę
podejścia do definiowania paliw.
2. AVL Boost
Producent oprogramowania BOOST firma AVL przy konfiguracji modelu pozwala
wybrać kilka zdefiniowanych paliw. Na rys. 1. przedstawione jest okno konfiguracji
parametrów globalnych, gdzie przedstawiona jest lista rozwijalna dostępnych paliw
standartowych.
Rys.1.Panel wyboru rodzaju paliwa
Modyfikacja parametrów tych paliw jest bardzo ograniczona i sprowadza się tylko
do zmiany wartości opałowej paliwa oraz wskaźnika stechiometrycznego powietrza do
paliwa. Parametry te są niewystarczające przy zastosowaniu paliw z olejów roślinnych
i zwierzęcych, dlatego też producent oprogramowania dodał specjalistyczny moduł
kompozycji paliw.
1
2
Prof. dr hab. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
Mgr inż. Marcin K. Wojs, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
135
2.1. Program „Boost Gas Properties Tool”
Program „BOOST Gas Properties Tool” pozwala użytkownikowi ustalić
odpowiednie właściwości gazów (par paliwa i produktów spalania) dla dowolnej
mieszaniny komponentów paliwowych, które w późniejszym czasie mogą być
wykorzystane przez program BOOST lub BOOST RT. Program ten korzysta z
termodynamiczny plik danych, który zawiera wszystkie niezbędne dane
termodynamiczne potrzebne do obliczeń.
Na rysunku 2. przedstawiona jest pełna lista możliwych do wyboru komponentów
paliw, które mogą zostać użyte do przygotowania wsadu do programu symulacyjnego.
136
Rys.2. Lista komponentów paliw programu „BOOST Gas Properties Tool”
Poszczególne komponenty paliwa mogą być dodawane i usuwane w tabeli na
stronie głównej programu obliczeniowego, a cała zawartość tabeli może być ładowana
lub przechowywana, za pomocą odpowiednich przycisków.
Udział składników paliwa można określić poprzez masę gazu lub objętość cieczy,
gdzie ostatnia opcja wymaga również podania gęstości cieczy.
137
Rys. 3. Okno kompozycji paliw
Wartości poszczególnych danych składników paliwa (rysunek 4) które pojawiają się
po wybraniu odpowiednich etykiet na liście składników po lewej stronie okna (rysunek
3), mogą być ładowane z termodynamicznego pliku danych lub mogą być określone
przez wartości następujących parametrów:
Masa molowa – Molowy skład paliwa. W przypadku ładowania danych
z termodynamicznego pliku danych, wartość ta wynika z budowy atomowej składnika
paliwa.
Dolna wartość opałowa – Dolna wartość opałowa składnika paliwa. W przypadku
ładowania danych z termodynamicznego pliku danych, wartość ta jest pochodną
wielomianu współczynnika a6 zawartego w zależności (2).
Stechiometryczny stosunek – Stosunek powietrza do składników paliwa.
W przypadku ładowania danych z termodynamicznego pliku danych wartość ta wynika z
budowy atomowej składników.
Węgiel / Współczynnik masowy – stosunek masy węgla w paliwie do całkowitej
masy atomowej składników paliwa. W przypadku ładowania danych
z termodynamicznego pliku danych wartość ta wynika z budowy atomowej składnika.
Tlen / Współczynnik masowy – stosunek masy tlenu do całkowitej masy
elementów paliwa. W przypadku ładowania danych z termodynamicznego pliku danych
wartość ta wynika z budowy atomowej składnika.
Azot / Współczynnik masowy – stosunek masy azotu do całkowitej masy
składników paliwa. W przypadku ładowania danych z termodynamicznego pliku danych
wartość ta wynika z budowy atomowej składnika.
Zakres temperatur destylacji składników paliwa – Wartości pomiędzy dolną i
górną temperaturą.
Entalpia / Entropia – wielomian o współczynniku 14 określony zgodnie z
Chemkin Thermodynamic Database (baza termodynamiczna Chemkin) [1]
determinująca wartości kaloryczności składników paliwa.
138
Rys. 4. Okno parametrów składnika paliwa
Parametry termodynamiczne komponentów paliwa są obliczane według wzorów:
(1)
(2)
(3)
gdzie:
T – Temperatura,
Cp – Pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu,
R – Indywidualna stała gazowa,
H0 – entalpia,
S0 – entropia,
Jednostki Cp, R, H0 i S0 muszą być ze sobą zgodne (masowo lub molowo).
Cała tabela współczynników wielomianu entalpii / entropii może być załadowana
lub zapisana przez kliknięcie odpowiednich przycisków.
2.2 Thermodynamic Data File – Termodynamiczny Plik Danych
Dane zapisane w Termodynamicznym Pliku Danych muszą być zgodne z formatem
określonym w Chemkin-II: A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of
Gas-Phase Chemical Kinetics [2].
Chemkin jest narzędziem do rozwiązywania złożonych procesów chemicznokinetycznych. Jest używany na całym świecie w mikroelektronice, przemyśle
samochodowym, procesach spalania i chemicznym przemyśle przetwórczym.
139
Początkowo był rozwijany w Sandia National Laboratories, a teraz nad jego dalszą
ewolucją pracuje firma Reaction Design. Chemkin rozwiązuje tysiące kombinacji reakcji
opracowanych kompleksowo do zrozumienia danego procesu, co wiąże się z użyciem
wielu związków chemicznych, zakresów stężeń i temperatur gazu. Zastosowanie
programu obliczeniowego Chemkin umożliwia badanie złożonych procesów
chemicznych, które mogą być badane szczegółowo, w tym związków śladowych [3].
3. Diesel-RK
Diesel-RK wspiera symulację pracy silnika z wykorzystaniem różnych paliw.
Właściwości każdego paliwa są przechowywane w bibliotekach programu. Istnieją dwie
biblioteki:
 Systemowa biblioteka paliw;
 Projektowa biblioteka paliw.
Pierwsza jest przeznaczona do zapisywania właściwości wszystkich paliw, druga
zaś jest przeznaczona do zapisywania właściwości paliw używanych w bieżącym
projekcie. Użytkownik może przypisać oddzielne paliwa dla każdego rodzaju pracy
silnika. Systemowa biblioteka paliw przechowywana w folderze systemowym
programy Diesel-RK zawiera różne grupy paliw: olej napędowy, biopaliwa, benzyna,
gaz, itp. Każda grupa może zawierać kilka paliw silnikowych, np. BioFuel może
zawierać kilka mieszanek paliwa sojowego (SME) lub estry metylowe oleju
rzepakowego (RME) z olejem napędowym, a każda mieszanka ma własne parametry
biopaliwa i oleju. Systemowa biblioteka paliw przedstawiona jest na poniższym rysunku.
Rys. 5. Okno wyboru paliw biblioteki systemowej.
Właściwości paliwa nie mogą być zmieniona bezpośrednio w bibliotece i te zostały
przedstawione jedynie w celach informacyjnych. Jeśli jakiś obiekt w projektowej
bibliotece paliw różni się od tego samego w systemowej bibliotece paliw, wartości
ostatniej będą wyświetlane innym kolorem. Użytkownik może tworzyć własne grupy
paliwa i dodać nowe paliwa w istniejących grupach. Symbole S i U oznaczają
systemową bibliotekę paliw lub paliwo zdefiniowane przez użytkownika. Paliwa
systemowe nie mogą być usunięte z biblioteki systemowej paliw. Paliwa użytkownika
mogą zostać usunięte z systemowej biblioteki paliw lub jego właściwości mogą być
zmieniane. Korekta właściwości paliw użytkownika jest możliwe tylko w projektowej
bibliotece paliw.
Projektowa biblioteka paliw jest przechowywana w bieżącym pliku projektu * .drk.
Biblioteka ta zawiera różne paliwa pobrane z systemowej biblioteki paliw. Projektowa
biblioteka paliw jest przedstawiona na rysunku.
140
Rys.6 . Okno projektowej biblioteki paliw
Właściwości paliwa mogą być zmienione bezpośrednio w projektowej bibliotece
paliw i należy je porównać z danymi w systemowej bibliotece paliw.
141
3.1. Ogólne właściwości paliw w programie Diesel-RK
Skład paliwa jest powiązany z udziałem masowym węgla (C), wodoru (H) i tlenu
(O) w paliwie – tabela 1.
Frakcja siarki w paliwie, S [%], jest wykorzystywane do wyliczania emisji SO2 –
tabela 2.
Wartość opałowa paliwa jest przedstawiana w [MJ/kg] – tabela 1.
Tabela 1. Właściwości paliw w programie Diesel-RK
Paliwo
Olej napędowy
C
H
O
Qn
f,
Cp
M
Qv
0.87
0.126
0.004
42.5
825-830
1853
190
250
Okrętowy olej
napędowy
0.87
0.125
0.005
40.6
930-955
1740
280
250
Benzyna
Metan
0.855
0.145
0
44
730
2500
115
230-314
0.777
0.223
0
50
16
-
Pozorna energia aktywacji procesu samozapłonu paliwa jest stosowany do
obliczania opóźnienia samozapłonu w oleju napędowym, a zalecane jej wartości
powinna się zawierać w przedziale: 22-28 [kJ/Mo].
Liczba cetanowa jest również używany do symulacji opóźnienia samozapłonu w
oleju napędowym.
Gęstość paliwa ρf [kg/m3] przy temperaturze 323 [K], jest używana do obliczania
właściwości paliwa przy procesie wtrysku, tworzenie mieszanki i kropelek paliwa –
tabela 2.
Tabela 2. Właściwości paliw w programie Diesel-RK – standard rosyjski.
Paliwo
Lato
Olej
napędowy
Zima
DT
Paliwo
Motorowe
DM
Paliwo do turbin gazowych
Okrętowy
F5
olej
F12
napędowy
M-0,8
Olej
napędowy
M-2,0
eksportowy
M-2,5
825
825
930
970
935
930
f,
N/m
0.028
0.028
0.031
0.034
0.031
0.031
f ,
Pa·s
0.004
0.003
0.034
0.144
0.019
0.035
955
0.033
975
965
965
0.034
0.033
0.033
f , kg/m3
142
42.5
42.5
41.8
41.8
39.8
41.45
S,
%
0.2-0.5
0.2-0.5
1.5
3
1.0-2.5
2.0
0.085
41.45
0.6
0.180
0.143
0.143
40.61
40.19
40.19
0.8
2.0
2.5
Qn, MJ/kg
Współczynnik napięcia powierzchniowego σf [N/m] paliwa przy temperaturze 323
[K], służy do obliczania rozpylania paliwa i składu mieszanki – tabela 2.
Dynamiczny współczynnik lepkości dla różnych paliw w temperaturze 323 [K],
μf [Pa*s], jest używany do obliczań przy wtrysku paliwa i ustalaniu składu mieszanki.
Tabela 2.
Ciepło parowania paliwa podawane w [kJ/kg] – tabela 1.
Pojemność cieplna paliwa w temperaturze podczas trwania wtrysku [J/kg*K].
Tabela 1.
Masa cząsteczkowa paliwa podawane w [kg/kmole] – tabela 1.
Współczynnik dyfuzji w warunkach atmosferycznych DPO [s], jest używany do
symulacji szybkości parowania.
Temperatura paliwa podawane w [K], w czasie wtrysku.
Ciśnienie pary nasyconej [bar], musi być ustawiony w różnych temperaturach: w
niskiej temperaturze (~ 480 K) oraz w temperaturze krytycznej (700K>). Obie
temperatury należy ustawić w sposób jawny.
4. Podsumowanie
Problem symulacji spalania paliw złożonych z różnych komponentów jest obecnie
głównym aspektem rozwoju programów symulacyjnych. Producenci oprogramowania
dokładają dużych starań, aby kolejne wersje ich aplikacji pozwalały wprowadzać do
obliczeń szerszy wachlarz paliw. Efektem tego jest zmiana filozofii podejścia do tego
tematu z umieszczania dużej ilości gotowych paliw na rzecz menadżerów, które
pozwalają użytkownikowi samodzielnie komponować ich skład.
Literatura:
[1]
R.J. Kee, F.M. Rupley, and J.A. Miller, “The CHEMKIN Thermodynamic Data
Base”, Sandia Report SAND87-8215B, UC-4, 1993c.,
[2]
R.J. Kee, F.M. Rupley, and J.A. Miller, “Chemkin-II: A Fortran Chemical
Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical Kinetics”, Sandia
Report SAND898009.UC-401, 1989.
[3]
CHEMKIN 10112, Reaction Design: San Diego, 2011
[4]
A.Kuleshov, “Diesel-RK Manual”, 2004
Streszczenie
Artykuł przedstawia aspekty komponowania paliwa w programie Boost firmy AVL,
przy pomocy menadżera paliw Boost Gas Properties Tool, który wykorzystuje bibliotekę
Thermodynamic Data File – Termodynamiczny Plik Danych zgodną ze standardem
Chemkin-II stworzoną przez Sandia National Laboratories, a teraz rozwijany w Reaction
Design. Przedstawiony jest również rosyjski program Diesel-RK, który wykorzystuje
własne biblioteki oparte o standardy kraju pochodzenia programu.
Słowa kluczowe: spalanie, symulacja, paliwa, estry.
143
FUELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES IN TERMS OF
SIMULATION PROGRAMS
Abstract
This paper presents aspects of the fuel composition in the AVL Boost, fuel
manager with Boost Gas Properties Tool, which uses the library Thermodynamic Data
File with standard Chemkin-II, developed by Sandia National Laboratories, and now
developed in Reaction Design. There is also information Russian Diesel-RK program
that uses its own library based on the standards of the country of origin .
Keywords: combustion, simulation, fuel, esters.
„Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego Nr: 5030E!”
144