ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Stanisław W. Kruczyński 1, Marcin K. Wojs 2 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 Prof. dr hab. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 2 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, H 0 entalpia, S 0 entropia, Jednostki Cp, R, H 0 i S 0 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 SO 2 tabela 2. Wartość opałowa paliwa jest przedstawiana w [MJ/kg] tabela 1. Tabela 1. Właściwości paliw w programie Diesel-RK Paliwo Olej napędowy Okrętowy olej napędowy Benzyna Metan C 0.87 0.87 0.855 0.777 H 0.126 0.125 0.145 0.223 O 0.004 0.005 0 0 Q n 42.5 40.6 44 50 f, 825-830 930-955 730 - C p 1853 1740 2500 - M 190 280 115 16 Q v 250 250 230-314 - 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 ρ f [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 f, kg/m 3 f, f, S, Q N/m Pa s n, MJ/kg % Olej Lato 825 0.028 0.004 42.5 0.2-0.5 napędowy Zima 825 0.028 0.003 42.5 0.2-0.5 Paliwo DT 930 0.031 0.034 41.8 1.5 Motorowe DM 970 0.034 0.144 41.8 3 Paliwo do turbin gazowych 935 0.031 0.019 39.8 1.0-2.5 Okrętowy F5 930 0.031 0.035 41.45 2.0 olej napędowy F12 955 0.033 0.085 41.45 0.6 Olej M-0,8 975 0.034 0.180 40.61 0.8 napędowy M-2,0 965 0.033 0.143 40.19 2.0 eksportowy M-2,5 965 0.033 0.143 40.19 2.5 142
Współczynnik napięcia powierzchniowego σ f [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], μ f [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