ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012 Stanisław W. Kruczyński 1, Janusz Januła 2, Maciej Kintop 3 OBLICZENIA SYMULACYJNE POWSTAWANIA NO X 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 prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 2 dr inż. Janusz Januła, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska, 3 inż. Maciej Kintop, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 69

2 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 o OWK, 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 α w = 6[ o OWK], dawka paliwa 19 mm 3, średnica otworu wtryskiwacza paliwa 0,17 mm ciśnienie początku suwu sprężania p s [Pa] temperatura początku suwu sprężania T sp [K] 330 średnia temperatura tłoka T t [K] Wyniki badań symulacyjnych Wybrane wyniki badań symulacyjnych przedstawiono na rys 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 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

3 Rys. 1. Przykładowy rozkład temperatur w komorze spalania dla ON i OR dla 363 o OWK Rys. 2. Przykładowy rozkład temperatur w komorze spalania dla ON i OR dla 380 o OWK 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

4 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]. [5]. 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

5 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 NO X 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