Моделирование свойств многокомпонентных топлив ДВС

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 431. 73. 038
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ ЛВС
Шапошников Ю. А.
ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», Барнаул, e-mail: frris@mail. ru
Токсичность отработавших газов существенным образом зависит от свойств топлива ДВС. Разработка многокомпонентного топлива с заданными свойствами позволяет влиять на концентрационный состав токсичных компонентов в отработавших газах. Математическое моделирование сокращает сроки и затраты на создание перспективных многокомпонентных топлив.
Ключевые слова: токсичность, отработанные газы, многокомпонентное топливо
MODELLING OF CHARACTERISTICS OF MULTICOMPONENT INTERNAL — COMBUSTION ENGINE JUELS Shaposhnikov J.A.
Altai State Technical University named after I.I. Polsunov, Barnaul, e-mail: frris@mail. ru
Toxic components of exhausted gases depend mainly on fuel characteristics of internal — combustion engines. Design study of multicomponet fuel with specified characteristics allows to act on concentration of toxic components in exhausted gases. Mathematic modellmg reduces terms and expenses on creating perspective multicomponent fuels.
Keywords: toxicity, waste gases, multi-component fuel
Одним из перспективных вариантов защиты окружающей среды от опасности загрязнения отработавшими газами (ОГ) является использование в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) многокомпонентных топлив, обеспечивающих минимальное содержание токсичных компонентов в продуктах сгорания. Анализ возможностей использования такого вида топлива основывается на разработке модели включающей определение основных термохимических свойств топлив произвольного химического состава и расчет продуктов сгорания этого топлива в ДВС [1].
При изучении индивидуальных химических соединений формулы веществ и их молекулярный вес должны быть известны. В случае, если молекулярный вес отдельных компонентов топлива неизвестен, а его состав задан элементарным весовым составом — (что имеет место при исполь-
зовании смесевых топлив), то эквивалентную химическую формулу записывают для условного молекулярного веса m = 100 в виде [1]:
(1)
ЮО-

? = ^.^ =. 100,
(2)
т.
т.
где m и m^ - атомные веса элементов, вхо-
a Ь '
дящих в топливо.
В некоторых случаях расчеты удобнее производить не на 1 моль, а на 1 кг топлива. Тогда вместо молекулярной формулы можно записать удельную химическую формулу вещества:
'- (3)
A Bh С D-…
abed
Индексы, а bcd в формуле (3) отличаются от соответствующих индексов в уравнении (1) в m раз:
a_b_c_d
abed Тогда, в соответствии с уравнением (2), получим:
а = ъ=^~.
т.
т.
A BbC …
a b c
В свою очередь
gi{A^Bb'Cc) + g2-(A^Bh-C-C2.^ + … = (A--BE-Cd.) —
Если компонент топлива задан не элементарным составом, а в виде смеси веществ с весовым содержанием каждого из них, равном gl- g2., то для всей смеси:
или
Ml
щ
(Л- -в" — вп- сл…) = (Л" — в" — се…),
/И, '- 2 '-
(4)
где (4Сс •••) — удельная формула смеси.
Величины индексов в уравнении (4) определяются по формулам:
Ь =gA+g2b2± + gnb'
(5)
или
в =ft
+ - + gn «,
Условный молекулярный вес смеси определяется из зависимостей:
т = тАа + твЬ + … +т0(1- (7)
а Ъ сі
= (8)
а о а
При известном значении стехиометрического соотношения можно составить условную химическую формулу для многокомпонентного топлива, соответствующую заданному значению коэффициента избытка воздуха. Молекулярная формула многокомпонентного топлива
Д» Ц& gt- 0: ^И& quot-->- (9)
где
а = аг+а-%'-0-аъ,
Ь = Ьг+а-%'-0-Ь0… (10)
Удельная формула для многокомпонентного топлива
(11)
где aг- Ьг- сг или ат 6г-сг… — число грамм-атомов элементов в соответствующих условных формулах горючего, ao- Ьо- co, или
а0- Ь0-с0… — в соответствующих формулах окислителя. При этом
— аг +Х о '- а'- ао. і ' 1+а-Хо
_Ьг + %о' *0
(12)
1+а-Хо
При расчетах температуры сгорания пользуются полной энтальпией топлива -J, измеряемой суммой термодинамической энтальпии — i и химической энергии топлива — Q:
•^хим
'-≠ г'+бх1ш = (13)
1 нач
Полная энтальпия многокомпонентного топлива определяется суммой полных энтальпий окислителя — J0 и горючего — X:
для 1 кг топлива:
J _ Л +Х /о ккал/кг- (14)
1+Х
для 1 моля топлива:
=т ккал/моль.
Полная энтальпия окислителя, горючего или любого вещества, представляющего собой смесь различных химических соединений, подсчитывается по энтальпиям составляющих веществ — X и их весовым долям — g:.
/=И
J = '-LgiJi ккал/кг. (15)
1=1
Численные значения полных энтальпий зависят от принятой системы отсчета, для определения которой необходимо задать начальную температуру отсчета — Тнач и начальные уровни химических энергий анализируемых веществ.
Если отсутствуют табличные значения энтальпии веществ, входящих в топливо, для вычисления полных энтальпий можно использовать тепловые эффекты химических реакций, включающих рассмотренное вещество и другие вещества, для которых известны табличные значения полных энтальпий. Пусть в общем виде задана реакция
и • А + Ь • В +… -^ сС + сЮ +… (16)
где а, Ъ, c, d… — количества молей вещества А, В, С, Д …
Уравнение сохранения энергии (при постоянных давлениях и температурах) для этой реакции имеет вид:
оГа + Ыь + бреак. (17)
Относя параметры уравнения (17) к одному молю вещества А, получим:
^л+^в = с^с + (^& lt-1-брш ккал/моль вещ. А. (18)
С помощью этого уравнения может быть вычислена величина полной энтальпии JА при любой температуре, если при той же температуре известны величины JC, X, X и Q.
В Б ^реак
Одной из важнейших задач, возникающих при анализе возможностей использования в ДВС перспективных многокомпонентных топлив, является расчет состава продуктов сгорания, что позволяет оценивать эффективность использования исследуемых компонентов топлива с точки зрения снижения токсичности ОГ.
Для определения состава продуктов реакции необходимо вычислить Z неизвестных, характеризующих концентрации или парциальные давления компонентов
MODERN HIGH TECHNOLOGIES № 2, 2013
(Ж и Р.), а также неизвестное количество молей исходного топлива — N Таким образом, количество неизвестных равно 2 + 1 и для решения поставленной задачи необходимо составить систему из 2 + 1 независимых уравнений. В систему этих уравнений войдут [2]:
1. Уравнение баланса элементов:
а0ЛГ,=2аД60ЛГ,=2бД. (19)
1=1 1=1
Число этих уравнений равно числу элементов — т.
2. Уравнение баланса электростатических зарядов при ионизации:
^+Хя, Е^*±=Е^+Е^*±(20)
характеризующее электростатическую равновесность ионизированного газа.
3. Уравнение диссоциации и ионизации в форме уравнения при расчете на N. молей исходного вещества:
— для газов:
к _ * _ ¦ (21)
г ткь’ну (21)
— для конденсированных веществ: кшщ — р*рЬр* ~ N^N1^ ' (22)
— для положительных ионов:
Р. + РТУ* _ 1 В? .
К р «
— для отрицательных ионов:
р
К* - 1е гс «рр,-'-
(23)
(24)
4. Уравнение суммарного числа молей для веществ в произвольном агрегатном состоянии:
^ = 1лт» (25)
г=1
или уравнение суммарного давления смеси газовых компонентов (для газов) в форме закона Дальтона:
РЕ='ЁЩ- (26)
1−1
Уравнения (19)-(26) в совокупности образуют систему из 2 + 1 уравнений, содержащую искомое 2 + 1 неизвестных. Необходимым и достаточным условием решения этой системы является определение элементарного состава топлива, задаваемого содержанием в нем химических элементов, или заданием тех же условий для некоторой исходной смеси, находящейся в промежуточном состоянии. То есть задается а0 — содержание грамм-атомов элемента А, Ъ0 — содержание грамм-атомов элемента В и других элементов, входящих в систему. Давление Р и температура Т, при которых определяется равновесный состав смеси, являются граничными условиями.
Система уравнений (19).. (26) представляет собой обыкновенные алгебраические уравнения, часть из которых (уравнения диссоциации и ионизации) могут быть нелинейными. В качестве одного из методов приближенных вычислений может быть использован метод итерации (последовательных приближений). В существующей практике термодинамических расчетов равновесного состава продуктов сгорания на основе этого метода, в сочетании с исключением неизвестных, используется несколько возможных способов и приемов расчетов. Недостатками этих способов решений является отсутствие общей расчетной схемы и ограничение применяемости только для композиций топлива, для которых они проведены.
Представляется целесообразным систему уравнений алгебраических уравнений решить методом последовательных приближений относительно поправок, вносимых в последующие приближения. Такие системы обеспечивают возможность создания унифицированной методики программирования вычислений на ПЭВМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обельницкий А. М. Расчет термических свойств двухкомпонентных топлив для поршневых двигателей внутреннего сгорания // Автомобиль и окружающая среда: Межвуз сб. науч. т. / под ред. проф. М. Д. Артамонова. -М., 1976.
2. Обельницкий А. М. Термодинамический расчет продуктов сгорания и отработавших газов ДВС, работающего на двухкомпонентном топливе произвольного состава // Автомобиль и окружающая среда: Межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. М. Д. Артамонова. — М., 1976.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой