VZNĚTOVÝ MOTOR SPALUJÍCÍ HOMOGENNÍ SMĚS Miloš Polášek1
Potentials of HCCI Engine The paper deals with the numerical simulation of a HCCI engine. The OBEH (Cycle) code has been used as the basis for a complex modeling of a turbocharged HCCI engine. An influence of fuel ignition properties, i.e., fuel cetane number, on the engine cycle has been examined. Fuel ignition properties have been solved using chemical kinetics applied to the full reaction scheme. Iso-octane, n-heptane and DME have been considered in the work presented.
1 Úvod Vznětový motor spalující homogenní směs představuje jeden z možných směrů, kterými se může v budoucnu ubírat vývoj vznětových motorů. Koncepce motoru spalujícího homogenní směs zapalovanou spontánním vznětem není nová a přináší výhody z hlediska možnosti spalování velmi chudých směsí pro udržení nízkých teplot ve válci, což přináší snížení produkce NOx. Díky detonačnímu charakteru hoření shoří směs s velmi vysokou rychlostí, což je výhodné z hlediska účinnosti. Obecně lze konstatovat, že úhly hoření jsou o řád kratší než v případě běžného vznětového motoru. Na druhé straně je nutné řešit problémy, které vyplývají z vysoké rychlosti hoření jako je tvrdost chodu a velmi vysoké maximální tlaky, které omezují použitelný součinitel přebytku vzduchu a tím i výkon motoru. V případě homogenního spalování se také ve větší míře negativně projevuje vliv hasnutí plamene u chlazených stěn, který vede k nárůstu produkce HC. Hlavní problém je ovšem spojen s řízením vznětu, který není možné dále ovlivňovat časováním vstřiku paliva do válce spalovacího motoru. Příspěvek se zabývá simulací vznětového motoru spalujícího homogenní směs se zaměřením na zkoumání vlivu vlastností paliva na oběh motoru. Jako základ byl použit program OBEH – [1], který byl rozšířen o popis vlastností paliva z hlediska vzněcování. V rámci práce byly řešeny detonační vlastnosti paliva s využitím programu CHEMKIN – [2].
2 Zahrnutí odhadu vznětu do programu OBEH Odhad okamžiku vznětu je velmi důležitý v případě vznětových motorů spalujících homogenní směs z důvodu řešení počátku hoření. Hoření je vyvoláno spontánním 1
Ing. Miloš Polášek, Ph.D., ČVUT v Praze, Výzkumné centrum Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, 166 07, e-mail:
[email protected]
vznětem, ale na rozdíl od vznětových motorů nelze kvůli použití homogenní směsi kontrolovat počátek hoření časováním počátku vstřiku paliva do válce. Počátek hoření, který má optimálně probíhat na počátku expanzního zdvihu, je možné kontrolovat pouze teplotou a tlakem ve válci spalovacího motoru, přičemž z hlediska dalších úvah lze uvažovat dominantní vliv teploty směsi ve válci. Odtud vyplývá, že při konstrukčně daném kompresním poměru motoru a plnicím tlaku závislém na požadovaném středním efektivním tlaku motoru je nutné regulovat teplotu nasávané směsi. Je zřejmé, že z hlediska praktického využití je nutné respektovat vlastnosti paliva (Cetanové číslo). Odhad okamžiku vznětu byl do programu OBEH zahrnut analogicky řešení klepání u zážehových motorů s modifikací teploty, která vstupuje do modelu. Na rozdíl od zážehových motorů zde není potřeba použít zónový model hoření a je možné přímo využít střední teplotu ve válci, která při zanedbání možné nehomogenity teplotního pole způsobené přestupem tepla do stěn a možným rozvrstvením náplně válce, představuje skutečnou teplotu směsi v průběhu kompresního zdvihu a homogenního hoření. Model je založen na teorii kritického množství radikálů připravených ke vznětu a postupné integraci „připravenosti ke vznětu“ kvůli respektování historie stavů, kterými směs prochází – [3], [4]. Bezrozměrnou veličinu charakterizující připravenost směsi ke vznětu lze potom definovat následujícím způsobem: t
=
t =τ i
1
∫ τ dt;
t
= 1 ⇒ ignition! (1) tignition t = 0 tignition Při řešení je nutné hledat čas, ve kterém integrál (1) nabývá hodnoty 1 – viz. [5]. pro
3 Vlastnosti paliva – čas na přípravu směsi ke vznětu Čas na přípravu směsi paliva a vzduchu ke vznětu je důležitým vstupem do modelu kvůli odhadu počátku hoření. V případě homogenního spalování, kdy nedochází k postupnému odhořívání jednotlivých vrstev směsi par paliva a vzduchu ve válci, je spalování kontrolováno především reakční kinetikou a vliv rozvíření náplně a turbulence je ve srovnání s klasickým vznětovým motorem značně potlačen. Z tohoto důvodu lze použít přístupu založeného na chemické kinetice pro řešení okamžiku vznětu i celého průběhu hoření. Zahrnutí chemické kinetiky do modelu je možné provést dvěma způsoby – přímé řešení chemické kinetiky v simulačním modelu nebo využití výsledků řešení časů do vznětu v rázové trubici nebo dokonale promíseném reaktoru konstantního objemu k formulaci parametrů dílčího modelu. V souladu s popisem v předchozí části, výsledky řešení chemické kinetiky byly použity pro formulaci regresních vztahů definujících čas na vznícení směsi o daném složení. Výhodou tohoto přístupu je značné zjednodušení celého algoritmu a možnost přímé kombinace modelu s experimentálně zjištěnými daty (typicky měření v rázové trubici). Pro regresní náhradu byla prozatím použita teorie vhodná pro popis teplotního vznětu – [6] – podle které lze potřebný čas τ na vznícení směsi o daném složení a za konstantní teploty a tlaku vyjádřit τ = A ⋅ exp(E / T ) (2) Konstanty A a E jsou závislé na použitém palivu. V případě simulace spalovacího motoru je nutné tento přístup dále rozšířit o vliv proměnného tlaku a složení směsi. Na základě rozboru Arrheniova zákona na teorii vznětu lze odvodit τ = A ⋅ p x ⋅ exp( E / T ) ⋅ λ y (3)
Čas na přípravu směsi ke vznětu n-heptanu, který je řešen použitím reakčního mechanismu dle [7], je znázorněn na Obr. 1. Srovnání času na vznět určeného navrženým regresním vztahem a podrobným řešením chemické kinetiky je znázorněno na Obr. 2. Uhlovodíková paliva se vyznačují typickou oblastí vzněcování, která leží mezi vysoko a nízkoteplotním vznětem. Tato oblast, nazývaná oblastí řetězového vzněcování (nebo NTC = Negative Temperature Coefficient), je důležitá z hlediska řešení spalovacích motorů (např. pro odhad klepání – [5]) a je nutné ji správně popsat. Zde je jednoznačné omezení použitého přístupu teplotního vznětu, který neumožňuje přesnější popis celé křivky a bude jej nutné dále modifikovat. 1.00E+00
t [s] - logaritmická stupnice
1.00E-01
1.00E-02
1.00E-03 p=80bar p=60bar p=40bar p=20bar p=10bar
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06 0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1000/T [1/K]
Obr. 1 Čas na přípravu směsi ke vznětu. Směs vzduch – n-heptan, součinitel přebytku vzduchu 2.
1.00E+00 regrese chemie
t [s] - logaritmická stupnice
1.00E-01
1.00E-02
1.00E-03
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06 0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1000/T [1/K]
Obr. 2 Srovnání času do vznětu určeného regresním vztahem a podrobným řešením reakční kinetiky. Součinitel přebytku vzduchu 4, tlak 80 bar. V rámci řešení byly použity vztahy pro odhad vznětu isooktanu, n-heptanu a DME (dimetyléter) jako paliv s velmi rozdílnými vlastnostmi. Isooktan se vyznačuje vysokou odolností proti vznícení a zde je použit pro srovnání s palivy s vysokým cetanovým číslem – n-heptan i DME mají cetanové číslo >55. Vztah pro n-heptan je následující: τ = 0.18 ⋅ p −0.95 ⋅ exp(7904 / T ) ⋅ λ0.614 (4)
4 Vliv použitého paliva na spalujícího homogenní směs
vlastnosti
vznětového
motoru
Závislost počátku hoření na teplotě nasávaného vzduchu pro n-heptan je znázorněna na Obr. 3. Uvedená závislost je počítána pro konstantní přebytek vzduchu 3 a konstantní tlak za kompresorem 150 kPa. Za těchto podmínek nelze udržet konstantní střední indikovaný tlak, který kolísá v rozmezí 0,58 MPa – 0,48 MPa (pokles s narůstající teplotou v sání). Za těchto podmínek lze nalézt jednoznačnou mez teploty v sání pro vznícení, která je pro uvedené palivo a podmínky 335K. V tomto režimu je počátek hoření téměř 15 st. KH za horní úvratí, tzn. v expanzním zdvihu, a s dalším snižováním teploty v sání již nedochází ke vznětu díky poklesu teplot v expanzním zdvihu. 15 mez vznícení paliva
počátek hoření [st. KH]
10
5
0
-5
-10 330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
Ts [K]
8
194
7.5
192
7
190
6.5
188
6
186
5.5
184
5
182
4.5
180
4
mpi [g.kW-1.h-1]
pmax [MPa]
Obr. 3 Počátek hoření v závislosti na teplotě v sání. Motor ∅130/150 mm, 2000 min-1, λ = 3, pk2=150 kPa, pi = 0,58 - 0,48 MPa, ε = 11,5
178 -10
-5
0
5
10
15
počátek hoření [st. KH]
Obr. 4 Maximální spalovací tlak a měrná indikovaná spotřeba v závislosti na počátku hoření. Motor ∅130/150 mm, 2000 min-1, λ =3, pk2=150 kPa, pi = 0,58 0,48 MPa
Průběh maximálního spalovacího tlaku a měrné indikované spotřeby paliva v závislosti na úhlu počátku hoření je znázorněn na Obr. 4. Optimum indikované měrné spotřeby paliva je dosaženo pro počátek hoření mírně posunutý do expanze. Toto je způsobeno krátkými úhly hoření, které jsou v uvedeném případě cca 5 st. KH. Počátek hoření posunutý do expanze je výhodný i z hlediska omezení teplot ve válci a tím i omezení produkce NOx. Nevýhodou vznětového motoru s homogenním spalováním jsou vysoké spalovací tlaky, které do značné míry omezují použitelný přebytek vzduchu a tím i výkonové parametry motoru. 2000
8
1800
7
1600 6 1400 1200 1000
4
T [K]
p [MPa]
5
800
3
600 2 400 1
200
0 -180
-90
0
90
180
270
360
450
540
0 630
alfa [st. KH]
Obr. 5 p-α a T-α diagram. Motor ∅130/150 mm, 2000 min-1, λ =3, pk2=150 kPa, pi = 0,56 MPa, Ts = 370 K 500 450 400 350
Ts [K]
300 250 200 150 100 50 0 isooktan
n-heptan
DME
Palivo
Obr. 6 Teplota v sání pro stejný úhel počátku hoření (HÚ). Průběh tlaku a teploty ve válci je uveden na Obr. 5. Odtud vyplývá značný nárůst tlaku ve válci po začátku hoření způsobený vysokou rychlostí hoření. Díky vysokému součiniteli přebytku vzduchu jsou teploty ve válci příznivé z hlediska tvorby NOx (v tomto případě Tmax = 1700 – 1800 K). Při daném způsobu spalování není směs v průběhu hoření rozvrstvena a tudíž střední teplota věrně vyjadřuje lokální teplotu v jednotlivých místech spalovacího prostoru v průběhu hoření. Předpověď teplot ve válci je v uvedených simulacích zkreslena (vyšší teploty) z důvodu použití standardních vztahů pro přestup tepla (Woschni), které je v případě homogenního spalování nutné upravit.
Vliv použitého paliva je znázorněn na Obr. 6. Zde je znázorněna teplota v sání pro dosažení stejného úhlu počátku hoření (HÚ) s různými palivy. Z hlediska praktického použití daného paliva je v tomto případě výhodné vysoké cetanové číslo, aby parametry motoru byly co nejméně omezované nutností použít vysoké teploty v sání pro zajištění spolehlivého hoření. V grafu je viditelné značné omezení nároků na teplotu v sání při použití n-heptanu a DME ve srovnání s isooktanem.
5 Závěr V rámci řešení byl formulován model umožňující simulaci vznětového motoru s homogenním spalováním. Model umožňuje zahrnutí chemické podstaty vznětu na základě globálního pohledu na probíhající chemické reakce, které jsou zjednodušeně řešeny použitím definovaného času potřebného na přípravu směsi ke vznětu a integrace vyčerpaného průtahu. Tento model je jednoduchý a umožňuje efektivní simulaci motoru spalujícího homogenní směs se zahrnutím vlastností paliva (cetanové číslo). Na druhé straně je značným omezením nemožnost řešení produkce škodlivin. Z tohoto důvodu je program OBEH dále rozšiřován o přímé zahrnutí reakční kinetiky. Vznětový motor spalující homogenní směs má značný potenciál z hlediska účinnosti a produkce škodlivin v nízkých zatíženích. Pro jeho plné využití je však nutné zajistit velmi přesnou regulaci teploty v sání/tlaku v sání pro zajištění vhodného časování počátku hoření. Toto vyžaduje použití uzavřených řídících smyček, které využívají jako zpětnou vazbu informaci o průběhu tlaku ve válci. Řízení je dále komplikováno nízkofrekvenčními ději, jako např. změny teploty stěn při přechodu z klasického režimu vznětového motoru do režimu s homogenním spalováním. Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu Výzkumného centra Josefa Božka, LN00B073.
Lektoroval: Doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. Literatura [1] Macek, J.: OBEH (CYCLE) code. FORTRAN 90 executable code. Application Code Library of U220.1, CTU Prague, Prague. 2002. [2] Kee,R.J. – Rupley,F.M. – Meeks,E. – Miller,J.A.: CHEMKIN III: A Fortran Chemical Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical and Plasma Kinetics. Report of Sandia National Laboratories SAND96-8216. Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94551-0969. 1996 [3] Livengood, J.C. – Wu, P.C.: Correlation of Autoignition Phenomenon in Internal Combustion Engines and Rapid Compression Machines. Proceedings of Fifth International Symposium on Combustion, p. 347, Reinhold. 1955 [4] Heywood, J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, London, England. 1988. ISBN 0-07-028637-X. [5] Polášek, M. - Hofman, K.: Modelování detonací zážehových motorů. In: KoKa 2002. Račkova Dolina: SPU Nitra, 2002, vol. 1, p. 59 - 66. ISBN 80-8069-051-0. [6] Warnatz, J. – Maas, U. – Dibble, R.W.: Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Berlin: Springer Verlag. 1996. ISBN 3540-60730-7. [7] Curran, H. J., Gaffuri, P., Pitz, W. J., and Westbrook, C. K. "A Comprehensive Modeling Study of n-Heptane Oxidation" Combustion and Flame 114 149-177 (1998).
