Badania numeryczne emisji tlenku azotu w silniku gazowym

Transkrypt

1 JAMROZI Aadiusz 1 Badania numeyczne emisji tlenu azotu w silniu gazowym WSTĘP Poblem zanieczyszczenia atmosfey spalinami silniów tłoowych jest obecnie jednym z najważniejszych działów wali o ochonę natualnego śodowisa człowiea [4]. Spośód licznych szodliwych sładniów spalin najtudniejsze jest oganiczenie emisji tlenów azotu NO x. Wysoa tempeatua i nadmia tlenu w cylindze silnia spzyjają powstawaniu tlenu azotu NO, tóy w uładzie wylotowym, a następnie w atmosfeze, pzeształca się w dwutlene azotu NO. Sumę tych sładniów najczęściej oznacza się jao NO x. Stężenie tlenów azotu w spalinach zależy głównie od dwóch czynniów: oncentacji eagentów N i O (zasadnicze znaczenie ma nadmia tlenu, tóy nie weźmie udziału w spalaniu węglowodoów) oaz tempeatuy w stefie spalania [18] Jednym z nazędzi badawczych, coaz częściej wyozystywanych w analizie pocesów sładających się na oboczy cyl silnia tłoowego jest modelowanie matematyczne [9,,]. Jednym z badziej zaawansowanych modeli numeycznych, używanych do symulacji pocesu spalania w silniach tłoowych jest pogam iva-v, opacowany w Los Alamos National Laboatoy w Stanach Zjednoczonych [11,1,1]. Pogam ten pozwala na obliczanie pzepływów tójwymiaowych w omoach silniów o dowolnej geometii, włączając efety tubulencji i wymianę ciepła ze ścianami. Pogam iva-v jest pzyładem tójwymiaowego modelu polowego, w tóym pzebieg pocesu spalania (sposób i pędość ozpzestzeniania się fontu płomienia) jest wyniiem ozwiązywania podstawowych ównań zachowania oaz uzupełniających je zależności, tóe oeślają pole pzepływu w ejonie fontu, pzebieg eacji chemicznych spalania oaz chwilowy stan temodynamiczny czynnia. Model bazuje na ozwiązywaniu ównań zachowania masy, pędu, enegii i ilości sładniów opisujących nieustalone, tójwymiaowe pole pzepływu z eacją chemiczną (spalaniem) [11,14,19]. W pogamie iva-v w podmodelu eacji chemicznych pocesu spalania paliwa gazowego uwzględniono cztey eacje inetyczne i sześć eacji ównowagowych. Piewsza eacja inetyczna oeśla utlenianie paliwa ( CH 4 ). olejne tzy opisują, zgodnie z ozszezonym modelem Zeldowicza, mechanizm twozenia NO [7,17]: CH4 O CO HO O N NO N (1) N O NO O N OH NO H Reacje ównowagowe to [15,18]: H H O O N N () H OH H O 4OH CO O O O CO 1 Politechnia Częstochowsa, Wydział Inżynieii Mechanicznej i Infomatyi, Instytut Maszyn Cieplnych; 4-1 Częstochowa; al. Amii ajowej 1. Tel: , jamozi@imc.pcz.czest.pl 479

2 Dla eacji inetycznych szybość pzebiegu eacji chemicznych w czasie oeślona jest zależnością [11]: a i i i b bi f () i Mi i Mi gdzie: i gęstość i-tego sładnia, M i - masa cząsteczowa i-tego sładnia, a i, b i - bezwymiaowe współczynnii stechiometyczne dla oeślonej eacji, f, b - współczynnii szybości pzebiegu eacji wpzód i wstecz. Współczynnii szybości eacji inetycznych mają ogólną postać oeśloną wyażeniami Aheniusa [11]: f f Af T exp Ef / T (4) b b AbT exp Eb /T gdzie: Af, Ab stałe zdefiniowane dla oeślonej eacji inetycznej, T - tempeatua, f, b - stałe zdefiniowane dla oeślonej eacji inetycznej, E f, E b - enegie atywacji. Dla eacji ównowagowych pzebieg eacji nie jest zależny od czasu, a ilość substatów i podutów zależy jedynie od stałej ównowagi eacji zależnej z olei jedynie od tempeatuy. Szybość pzebiegu eacji jest oeślana w sposób pośedni z waunu [11]: i i M i (bi ai ) (T) (5) Stała ównowagi eacji [8]: (T) exp AlnT B/T C DT ET () gdzie: A, B, C, D, E stałe zdefiniowane dla oeślonej eacji ównowagowej. W pacy zamieszczono wynii modelowania, w pogamie iva-v, emisji tlenu azotu badawczego silnia SZI zasilanego paliwem gazowym metanem. Modelowanie pzepowadzono dla óżnych watości stałych szybości eacji inetycznych twozenia NO, pzyjętych na podstawie wybanej liteatuy [1,,5,,15,1,18]. 1 MODEL SILNIA SZI W IVA-V Silni badawczy SZI jest jednostą powstałą na bazie czteosuwowego silnia wysoopężnego, wypoduowanego pzez Wytwónię Silniów Wysoopężnych ANDORIA w Andychowie. Silni po zmianach onstucyjnych, dzięi nowemu uładowi zasilania oaz wyonaniu instalacji zapłonowej, został pzystosowany do spalania paliwa jao silni z zapłonem isowym. Na ysunu 1 pzedstawiono zdjęcie atalogowe oyginalnej wesji silnia Andoia SES, a na ysunu poazano pzeój głowicy silnia badawczego ze zmienioną omoą spalania, w tóej znajduje się świeca zapłonowa. 4794

3 Rys. 1. Silni Andoia SES - zdjęcie atalogowe Rys.. Pzeój głowicy z omoą spalania silnia badawczego po modenizacji, 1- świeca zapłonowa, - omoa spalania w cylindze, - omoa spalania w tłou W tabeli 1 zamieszczono główne paamety techniczne silnia badawczego wyozystane w pocesie modelowania. Tab. 1. Główne paamety silnia badawczego objętość soowa 18 cm liczba cylindów 1 uład cylindów poziomy pomień wyobienia 8 mm śednica cylinda mm długość obowodu 75 mm so tłoa 1 mm stopień spężania 8, pędość obotowa ob/min Pzestzeń obocza omó spalania modelu silnia, zgodnie z wymiaami geometycznymi zeczywistego silnia, została zbudowana w pepocesoze pogamu iva i pzedstawiona w postaci siati na ys. [8]. Rys.. Siata geometyczna omó spalania modelu silnia w GMP tłoa Zbudowana siata modelowanego silnia zawieała ooło 7 tys. omóe obliczeniowych w gónym położeniu tłoa (GMP). Waz z uchem tłoa, w ieunu DMP, liczba omóe obliczeniowych zwięszała się do watości ooło tys. 4795

4 PRZEBIEG OBLICZEŃ Obliczenia w iva-v ozpoczynały się w DMP tłoa na początu suwu spężania dla waunów początowych ustalanych na podstawie pomiaów espeymentalnych i twały pzez o OW do zaończenia suwu pacy silnia. Obliczenia powadzono dla czteech watości śedniego współczynnia nadmiau powietza: 1,, 1,4, 1,, 1,8. Zapłon mieszani następował za pomocą wyładowania isowego 1 o OW pzed GMP. W tabeli zamieszczono główne paamety silnia badawczego i wauni początowe pzyjęte do modelowania. Tab.. Paamety silnia badawczego i wauni początowe pzyjęte do modelowania Wielość Oznaczenie IVA Wymia Watość pędość obotowa pm ob/min 1,e+ śednica cylinda boe cm 1, so tłoa stoe cm 1, niedojście tłoa squish cm 1,8 paliwo ch4 - metan ciśnienie początowe (18 o pzed GMP) pesi MPa,1 tempeatua początowa (18 o pzed GMP) tempi 5, ąt wyładowania isy zapłonowej calign o OW -1, Równania szybość eacji inetycznych wynoszą [7]: CH4 O CO HO CH 4. exp CH 4 4 T 1 f 1 O N NO N b1 f1[o][n] b 1[NO][N] f N O NO O b. O 1. f [N][O] b[no][o] f N OH NO H b f [N][OH] b[no][h] W silniach o zapłonie isowym najbadziej pawdopodobny, aceptowany i powszechnie pzyjmowany, z puntu widzenia powstawania tlenów azotu, jest ozszezony mechanizm Zeldowicza. Stałe szybości eacji inetycznych w mechanizmie Zeldowicza, oeślone zależnościami Aheniusa pzyjęto na podstawie ilu wybanych pac (tabela ). Tab.. Stałe szybości eacji inetycznych twozenia NO Według [1,,] [cm /mol s] Według [18] [m /mol s] Według [15] [m /mol s] Według [5] [m /mol s] Według [1] [cm /mol s] f1 b1 f b f b /T) e ( T e T e ( 15 / T) ( 195 / T) 14 5/T) e ( /T) e (.4 T e 1.5 T e ( 145 / T) ( 195 / T) 11 85/T) e ( /T) e (.4 T e 1.5 T e ( 15 / T) ( 195 / T) /T) e ( /RT ) e ( T..4 T e 1.5 T e.8. 7 ( / RT ) ( 1 / RT ) 8 19 /RT ) e ( /RT ) e ( T e 9.97 T e 9.. ( 78 / RT ) ( 1145 / RT ) 1 75/ RT ) e ( 14 4 /RT ) e ( 479

5 Stałe dla eacji ównowagowych pzyjęto na podstawie []: H H (1) () [ H] [H] 1 1 exp.997lnt /T T.1118T O O (1) () [ O] [O] exp.411lnt / T.55.41T T N N (1) () [ N] [N] exp ln T 11.8/T T.999 T O H OH (1) (1) () [ O] [H] [OH] 4 4 exp.599lnt 9.8/ T.9.149T.1485T O H O 4OH (1) () (4) [ O] [HO] [OH] 5 5 exp ln T / T T.4471 T WYNII OBLICZEŃ O CO CO (1) () () [ O] [CO] [CO] exp ln T 8.445/T T T Piewszym efetem modelowania było wyznaczenie czasopzestzennych ozładów ciśnienia i tempeatuy w omoze spalania modelowanego silnia oaz uzysanie pzebiegów zmian tych wielości w funcji ąta OW. Pzyładowe czasopzestzenne ozłady ciśnienia i tempeatuy w omoze spalania modelu, dla współczynnia nadmiau powietza = 1,8, pzedstawiono na ysunach 4 i 5. Rys. 4. Rozład ciśnienia w omoze spalania modelu silnia w GMP tłoa dla = 1,8 Rys. 5. Rozład tempeatuy w omoze spalania modelu silnia w GMP tłoa dla = 1,8 Na ysunach oaz 7 poazano pzebiegi zmian ciśnienia i tempeatuy w silniu modelowanym, w funcji ąta OW dla analizowanego zaesu sładu mieszani palnej o = 1, 1,8. Z otzymanych wyesów widać, że masymalne ciśnienie w omoze spalania silnia badawczego, pacującego na mieszance najuboższej o współczynniu nadmiau powietza 1,8, wynosi, MPa pzy 1 o OW po GMP, a tempeatua ooło 17 pzy 4 o OW po GMP. Wielości te dla spalania mieszani najbogatszej o λ = 1, osiągają odpowiednio,5 MPa i 9 pzy o OW po GMP. Pośednie watości ciśnienia i tempeatuy osiągane są podczas spalania mieszane o sładzie pomiędzy tymi dwoma watościami λ. 4797

6 ciśnienie [MPa] tempeatua [] ąt obotu wału obowego [ O OW] Rys.. Pzebiegi ciśnienia modelu silnia w iva-v ąt obotu wału obowego [ O OW] Rys. 7. Pzebiegi tempeatuy modelu silnia w iva-v W wyniu obliczeń uzysano ponadto czasopzestzenne ozłady oncentacji tlenu azotu w omoze spalania silnia badawczego oaz pzebiegi zmian stężenia NO w funcji ąta OW. Rysuni od 8 do 11 poazują pzestzenne oncentacje tlenu azotu w omoze spalania silnia modelowanego dla wybanych ątów OW: GMP, o OW po GMP oaz o OW po GMP, pzy = 1, 1,8, wyznaczone na podstawie stałych szybości pzyjętych z pac [1,,]. ZZP ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP Rys. 8. oncentacja NO w omoze spalania Rys. 9. oncentacja NO w omoze spalania modelu silnia dla wybanych ątów modelu silnia dla wybanych ątów OW pzy λ = 1, OW pzy λ = 1,4 4798

7 ZZP ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP o OW po ZZP Rys.. oncentacja NO w omoze spalania modelu silnia dla wybanych ątów OW pzy λ = 1, Rys. 11. oncentacja NO w omoze spalania modelu silnia dla wybanych ątów OW pzy λ = 1,8 Rysuni od 1 do 1 pzedstawiają pzebiegi zmian stężenia NO w funcji ąta OW dla analizowanego zaesu sładu mieszani palnej oaz dla óżnych watości stałych szybości eacji inetycznych twozenia NO, pzyjętych na podstawie wybanej liteatuy. 1.E+ 1.E+ 1.E E E+4 1.E+4 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+ 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+ 1.E-1 1.E ąt obotu wału obowego [ O OW] 1 ąt obotu wału obowego [ O OW] Rys. 1. Zmiany stężenia NO wg [1,,] Rys. 1. Zmiany stężenia NO wg [18] 1.E+ 1.E+5 1.E E+ 1.E+5 1.E E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+ 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+ 1.E-1 1.E ąt obotu wału obowego [ O OW] ąt obotu wału obowego [ O OW] 4 Rys. 14. Zmiany stężenia NO wg [15] Rys. 15. Zmiany stężenia NO wg [5] 4799

8 1.E+ 1.E E+4 1.E+ 1.E+ 1.E+1 1.E+ 1.E Rys. 1. Zmiany stężenia NO wg [1] ąt obotu wału obowego [ O OW] 5 Wynii modelowania poazały, że watości masymalnych stężeń tlenu azotu uzysane z uwzględnieniem stałych szybości eacji z pac[1,,], a taże z pacy [15] oaz [1] były zbliżone i zawieały się w ganicach od ooło ppm pzy = 1,8 do ooło 715 ppm pzy = 1,. Obliczenia z wyozystaniem stałych wg [5] dały w efecie najwięsze stężenia wynoszące od 11 ppm pzy = 1,8 do 9 ppm pzy = 1,. Dla stałych z pacy [18] watości stężeń NO zawieały się odpowiednio w pzedziale od 9,5 ppm do 7 ppm. Poównanie poziomów stężeń tlenu azotu uzysanych pzy óżnych watościach stałych szybości eacji inetycznych zestawiono osobno dla ażdej watości współczynnia nadmiau powietza i poazano na ysunach od 17 do. Z pzedstawionych wyesów widać, że najbadziej istotne óżnice w watościach masymalnych stężeń NO miały miejsce pzy spalaniu mieszani najbogatszej o współczynniu nadmiau powietza 1,. Dla = 1, stężenie tlenu azotu uzysane z uwzględnieniem stałych szybości eacji z pacy [5] było najwięsze i wyniosło ooło 9 ppm, natomiast watości stałych podane w pozostałych pacach dały w wyniu obliczeń oncentację znacznie mniejszą, wynoszącą ooło 715 ppm. Dla = 1,4 obliczone stężenia NO wg pac [1,,], a taże z pacy [15] oaz [1] były zbliżone i ówne ooło 5 ppm. Dla pacy [18] stężenie NO wyniosło ppm, a dla pacy [5] 5 ppm. iedy spalano mieszanę o = 1, stężenie tlenu azotu dla stałych wg [1,,], a taże [15] oaz [1] wyniosło ooło 9 ppm natomiast wg pac [18] i [5] watość ta była znacząco więsza i wyniosła odpowiednio 15 ppm oaz 1 ppm. W pzypadu najuboższej mieszani masymalne watości obliczonych oncentacji NO dla pac [1,,], a taże [15] oaz [1] były ówne ooło ppm. Gdy obliczenia pzepowadzono z uwzględnieniem stałych z pacy [18] stężenie NO wyniosło 9,5 ppm, a dla stałych wg [5] - 11 ppm ,, ,, ąt obotu wału obowego [ O OW] ąt obotu wału obowego [ O OW] Rys. 17. Zmiany stężenia NO pzy = 1. Rys. 18. Zmiany stężenia NO pzy =

9 ,, ,, ąt obotu wału obowego [ O OW] ąt obotu wału obowego [ O OW] Rys. 19. Zmiany stężenia NO pzy = 1. Rys.. Zmiany stężenia NO pzy = 1.8 PODSUMOWANIE Pzepowadzone w amach pacy obliczenia poazały, że pogam iva-v jest nowoczesnym nazędziem inżyniesim pozwalającym na pzestzenne modelowanie złożonego zjawisa, jaim jest poces spalania we współczesnym silniu spalinowym, z uwzględnieniem badzo atualnego zagadnienia: emisji jednego z najbadziej tosycznych sładniów spalin tlenu azotu. Wynii modelowania dostaczyły infomacji na temat pzestzennych i czasowych ozładów ciśnienia, tempeatuy oaz oncentacji NO w omoze spalania silnia badawczego, tóe byłyby badzo tudne do uzysania dogą pomiaów. W pacy poównano watości stężeń tlenu azotu uzysane pzy óżnych, najczęściej spotyanych w liteatuze, watościach stałych szybości eacji inetycznych twozenia tlenu azotu, uwzględnianych w podmodelu twozenia NO ozszezonym mechanizmie Zeldowicza. Obliczone, w ezultacie modelowania, watości oncentacji NO dla danych z óżnych pac nie były jednaowe. Najwięsze óżnice otzymano w pzypadu spalania najbogatszej mieszani, o współczynniu nadmiau powietza = 1,. Z pzepowadzonej analizy wynia wiec, że mechanizm Zeldowicza, powszechnie wyozystywany do obliczeń emisji tlenów azotu silnia spalinowego, jest w dużym stopniu zależny od pzyjmowanych watości współczynniów szybości eacji inetycznych i w celu uzysania wiaygodnych wyniów obliczeń powinien być ażdoazowo zweyfiowany espeymentalnie. Steszczenie W pacy zamieszczono wynii modelowania, w pogamie iva-v, emisji tlenu azotu badawczego silnia SZI, zasilanego paliwem gazowym metanem. Modelowanie pzepowadzono dla óżnych watości stałych szybości eacji inetycznych twozenia NO, pzyjętych na podstawie wybanej liteatuy. W wyniu obliczeń uzysano czasopzestzenne ozłady oncentacji tlenu azotu w omoze spalania silnia badawczego oaz pzebiegi zmian stężenia NO w funcji ąta OW. Numeical eseach of nitogen oxide emissions in a gas engine Abstact The numeical modelling esults of nitic oxide emission of SZI eseach engine, poweed by gas fuel methane, using iva-v softwae ae pesented in the pape. The modelling pocess was caied out fo diffeent values of inetic eaction ate constants of NO fomation. Reaction ate constants wee adopted on the basis of selected liteatue. As a esult of caied out calculations of nitic oxide concentation in combustion chambe of modelled engine and couse of NO concentation vaiations in function of CA ae obtained. BIBLIOGRAFIA 1. Andesson I., Cylinde Pessue and Ionization Cuent Modeling fo Spa Ignited Engines. Linöping Studies in Science and Technology, Thesis No. 9,. 481

10 . Beladini P., Betoli C., Multi-Dimensional Modeling of Combustion and Pollutants Fomation of New Technology Light Duty Diesel Engines. Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, Cupiał., Jamozi A., SI engine with the sectional combustion chambe. Jounal of ones, Vol. 9, No Gnatowsa R., Moyń-uchaczy E., Analysis of Pollutant Dispesion in Flow Aound the Aay of Buildings. Poceedings of ECOpole, Vol.4, No Eaton A.M., Smoot L.D., Hill S.C., Eatough C.N., Components, fomulations, solutions, evaluation, and application of compehensive combustion models. Pogess in Enegy and Combustion Science 5, Jamozi A., Cupiał., Modelowanie powstawania tlenu azotu w silniu ZI z dzieloną omoą spalania. Achiwum spalania 4, Vol. 4, No Jamozi A., Modelling of two-stage combustion pocess in SI engine with pechambe. Poceedings of the V-th Intenational Confeence in MEMS Design, Memstech 9, Lviv- Polyana/Uaine - 4 Apil Jamozi A., Tuta W., CFD modeling of complete themal cycle of SI engine. Tea Commission of Motoization and Powe Industy in Agicultue Polish Academy of Science Banch 1, Vol. 1, No.. Jamozi A., Tuta W., ociszewsi A., Sosnowsi M., Numeical Analysis of Influence of Pechambe Geomety in IC Engine with Two Stage Combustion System on Engine Wo Cycle Paametes. Jounal of ones, Vol. 1, No. 11. Jamozi A., Tuta W., ociszewsi A., Sosnowsi M., Numeical simulation of two-stage combustion in SI engine with pechambe. Applied Mathematical Modelling 1, 7/5. 1. ociszewsi A., Jamozi A., Sosnowsi M., Tuta W., Simulation of combustion in multi spa plug engine in iva-v. Combustion Engines 7, No. 7-SC. 1. ociszewsi A., Jamozi A., Tuta W., Sosnowsi M., Computational Analysis and Expeimental Reseach into Lean Mixtue Combustion in Multi-Spa Plug SI Engine. Jounal of ones, Vol. 1, No. 14. ociszewsi A., Optimization of wo paametes of gaseous SI engine, TEA Commission of Motoization and Enegetics in Agicultue 1, Vol.1, No. 15. owalewicz A., Twozenie mieszani i spalanie w silniach o zapłonie isowym. WŁ, Waszawa Miyamoto N., Ogawa H., Doi., Calculations of Ignition fo Methane-Ai Mixtue by Chemical inetics. Intenational Symposium COMODIA 9, Rychte T., Teodoczy A., Modelowanie matematyczne oboczego cylu silnia tłoowego. PWN, Waszawa Szczęsny P., Wpływ odzaju modelu temodynamicznego pocesu spalania na obliczenia udziałów sładniów tosycznych spalin silnia gazowego. IV Międzynaodowa onfeencja Nauowa Silnii Gazowe Szwaja S., Jamozi A., Tuta W., A two-stage combustion system fo buning lean gasoline mixtues in a stationay spa ignited engine. Applied Enegy 1, 5.. Tuta W., Jamozi A., Guca M., CFD modeling of themal cycle of supechaged compession ignition engine. Jounal of ones 1, Vol. 19, No Tuta W., Jamozi A., ociszewsi A., Impoved Emission Chaacteistics of SI Test Engine by EGR, Poceedings of VII-th Intenational Confeence in MEMS Design, Memstech 11,, Lviv- Polyana, 11.. Tuta W., Jamozi A., ociszewsi A., Sosnowsi M., Numeical analysis of initial swil pofile influence on modelled piston engine wo cycle paametes. Combustion Engines 7, No 7- SC. 48