Режимы горения водорода при прямой подаче его в камеру сгорания ДВС

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена анализу процессов в камере сгорания двигателя с искровым зажиганием при прямой струйной подаче водорода на такте сжатия. Методами численного моделирования исследуются особенности перемешивания водорода с воздухом и его горения после воспламенения от искры в момент достижения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ). Рассмотрены режимы горения при варьировании давления впрыска от 20 до 140 атм и времени начала впрыска от 180° до 45° поворота коленчатого вала (п.к.в.) до ВМТ. Во всех случаях при впрыске в камеру сгорания подается масса водорода, необходимая для образования стехиометрической смеси с воздухом. Получено, что наиболее однородная смесь на момент поджига образуется при ранней подаче (180°–135° п.к.в. до ВМТ) под относительно невысоким давлением (20–60 атм). Поджиг однородной смеси в рассматриваемых условиях приводит к детонационному режиму сгорания. Меньшая степень однородности смеси соответствует медленному, дефлаграционному, режиму горения. Важно отметить, что неоднородность смеси определяет неоднозначность формирования того или иного режима горения в зависимости от локального состава смеси в области искры. При этом наиболее медленный режим горения обеспечивает максимальное недогорание водорода: до 8.2%. В целом, рассмотренные диапазоны давления и времени начала подачи соответствуют удовлетворительным значениям недогорания водорода, не превышающим 4%.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Е. Смыгалина

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: smygalina-anna@yandex.ru
Россия, Москва

А. Д. Киверин

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: smygalina-anna@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Тереза А.М., Агафонов Г.Л., Андержанов Э.К. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 66. https://doi.org/10.31857/S0207401X2208012X
  2. Медведев С.П., Максимова О.Г., Черепанова Т.Т. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 73. https://doi.org/10.31857/S0207401X22110085
  3. Фролов С.М., Иванов В.С. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 4. С. 68. https://doi.org/10.31857/S0207401X21040075
  4. Wei H., Hu Z., Ma J. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 34. P. 12905. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.031
  5. Duan Y., Sun B., Li Q. et al. // Energy Convers. Manag. 2023. V. 291. № 117267. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117267
  6. Park C., Kim Y., Oh S. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 50. P. 21552. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.274
  7. Fu Z., Gao W., Li Y. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 51. P. 19700. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.02.041
  8. Yosri M., Palulli R., Talei M. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 46. P. 17689. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.228
  9. Lai F., Sun B., Wang X. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 20. P. 7488. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.091
  10. Anticaglia A., Balduzzi F., Ferrara G. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 83. P. 32553. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.339
  11. Zhao F., Sun B., Yuan S. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 49. Part B. P. 713. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.09.039
  12. Babayev R., Andersson A., Dalmau A.S., Im H.G., Johansson B. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 35. P. 18678. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.223
  13. Conaire M.O., Curran H.J., Simmie J.M., Pitz W.J., Westbrook C.K. // Intern. J. Chem. Kinet. 2004. V. 36. № 11. P. 603. https://doi.org/10.1002/kin.20036
  14. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982.
  15. Liberman M.A., Ivanov M.F., Valiev D.M., Eriksson L.E. // Combust. Sci. Technol. 2006. V. 178. № 9. P. 1613. https://doi.org/10.1080/00102200500536316
  16. Зайченко В.М., Киверин А.Д., Смыгалина А.Е., Цыплаков А.И. // Изв. РАН. Энергетика. 2018. № 4. С. 87. https://doi.org/10.31857/S000233100002367-7
  17. Смыгалина А.Е., Киверин А.Д., Зайченко В.М., Цыплаков А.И. // Инж.-физ. журн. 2022. Т. 95. № 1. С. 169. https://doi.org/10.1007/s10891-022-02478-y
  18. Smygalina A.E., Kiverin A.D. // J. Zhejiang Uni. Sci. A. 2022. V. 23. № 10. P. 838. https://doi.org/10.1631/jzus.A2200217
  19. Киверин А.Д., Смыгалина А.Е. // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 1. С. 103. https://doi.org/10.31857/S0040364422010197
  20. Ivanov M.F., Kiverin A.D., Yakovenko I.S., Liberman M.A. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. № 36. P. 16427. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.124
  21. Киверин А.Д., Смыгалина А.Е., Яковенко И.С. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 8. С. 9. https://doi.org/10.31857/S0207401X2008004X
  22. Смыгалина А.Е., Киверин А.Д. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 63. https://doi.org/10.31857/S0207401X22110127
  23. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988.
  24. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. М.: Физматлит, 2006.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема расчетной области: 1 – ось симметрии, 2 – стенка со щелью, 3 – цилиндр, 4 – камера высокого давления, 5 – положение искрового поджига, 6 – нижняя мертвая точка, 7 – верхняя мертвая точка.

Скачать (11KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эволюция массовой доли водорода в цилиндре, w(H2), по мере впрыска H2 под давлением 20, 60, 100 и 140 атм (кривые 1–4, соответственно). Время начала впрыска составляет 10 мс или 90° п.к.в.

Скачать (19KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Степень однородности смеси σ в зависимости от времени при впрыске водорода под давлением 20, 60, 100 и 140 атм (фрагменты а–г, соответственно) при временах начала впрыска 0°, 45°, 90° и 135° п.к.в. (кривые 1–4, соответственно, на каждом фрагменте).

Скачать (59KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Поля мольной доли водорода, Y(H2), на последовательные моменты времени при осуществлении впрыска под давлением 20 (а) и 100 атм (б) в момент, соотвествующий 0° п.к.в.

Скачать (44KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Поля мольной доли водорода, Y(H2), на последовательные моменты времени при осуществлении впрыска под давлением 20 (а) и 100 атм (б) в момент, соотвествующий 135° п.к.в.

Скачать (26KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Индикаторные диаграммы в случае поджига при 180° п.к.в. для следующих условий впрыска: под давлением 20, 60, 100 и 140 атм (фрагменты а–г) в моменты времени, соответствующие 0°, 45°, 90° и 135° п.к.в. (кривые 1–4, соответственно, на каждом фрагменте).

Скачать (66KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение во времени доли сгоревшего водорода по массе, xb, в случае поджига при 180° п.к.в. для следующих условий впрыска: под давлением 20, 60, 100 и 140 атм (фрагменты а–г) в моменты времени, соответствующие 0°, 45°, 90° и 135° п.к.в. (кривые 1–4, соответственно, на каждом фрагменте).

Скачать (56KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменение во времени массовой доли водорода в цилиндре, w(H2), в случае поджига при 180° п.к.в. для следующих условий впрыска: под давлением 20, 60, 100 и 140 атм (фрагменты а–г) в моменты времени, соответствующие 0°, 45°, 90° и 135° п.к.в. (кривые 1–4, соответственно, на каждом фрагменте).

Скачать (57KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость степени недогорания водорода по массе, δm, от времени начала впрыска (фрагмент а, кривые 1–4 соответствуют начальным давлениям 20, 60, 100 и 140 атм) и давления впрыска (фрагмент б, кривые 1–4 соответствуют временам начала впрыска 0°, 45°, 90° и 135° п.к.в.).

Скачать (30KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024