Theoretical research bioethanol ICE operating process

Abstract

This article discusses one of the areas of alternative energy development and problems of the use of bioethanol in in- ternal combustion engines. Physical and chemical properties of bioethanol are analyzed; mathematical model of the combustion of bioethanol ICE is given. The results of theoretical research of operating process characteristics are shown.

Full Text

Истощение запасов ископаемых топлив и увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, вызванное их сжиганием, - известные глобальные проблемы. Международное энергетическое агентство прогнозирует истощение экономически рентабельных запасов нефти к 2030 году, при этом выбросы углекислого газа в атмосферу и спрос на энергию воз- растут более чем на 50%. В связи с этим в мире идут интенсивные исследования и разработ- ки альтернативных источников энергии. Решением глобальной проблемы могло бы стать использование топлив, участвующих в кругообороте веществ в природе. При их использовании не происходит роста содержания углекислого газа в атмосфере. Из топлив растительного происхождения наиболее перспек- тивным является биоэтанол [1]. Это объясняется доступностью и простотой технологии его производства из органического сырья, в том числе из органических отходов. Также благода- ря содержанию кислорода в топливе проще организовать его полное и экологичное сгорание. К тому же смеси этанола с водой не расслаиваются, что очень важно для ограничения выбро- сов окислов азота путем снижения температуры сгорания. Переход на экологически чистый этанол в странах с относительно холодным климатом пока невозможен, так как не решена проблема организации эффективного рабочего процесса и пуска двигателя при низких температурах окружающей среды. Минимальная температура надежного пуска двигателя на этаноле составляет +13оС [2]. Этим и объясняется необходимость добавки в этанол некото- рого количества бензина. В США, например, используется топливо Е85 - смесь на основе этанола с 15%-й добавкой бензина. Это решает проблему загрязнения окружающей среды и истощения ископаемых ресурсов лишь частично. Проблемой также является плохая раство- римость спиртов в бензине. Для обеспечения постепенного и безболезненного перехода от использования ископаемых источников энергии к возобновляемым, участвующим в круго- обороте веществ в природе, необходимо, чтобы перспективный рабочий процесс позволял двигателю работать не только на этаноле и его водных растворах, но и на современных то- варных топливах. Причем преобразование энергии топлива в механическую энергию должно осуществляться с высоким КПД. Растущий интерес к использованию и производству альтернативных видов топлива (биоэтанола, биогаза) ставит ряд задач перед их производителями и потребителями. Топлива из спиртового ряда, которые сейчас находятся в особом фокусе внимания, могут использо- ваться в основном в двигателях с искровым зажиганием, и поэтому поведение энергетиче- ских преобразователей этого типа, оптимизация их рабочего цикла являются весьма актуаль- ными, а многообразие альтернативных энергоносителей выдвигает задачу прогнозирования характеристик двигателя внутреннего сгорания (ДВС), использующего новые топлива. Обес- печение масштабности исследований, сокращения временного фактора и количества стендо- вых испытаний возможно с помощью математического моделирования. Из многообразия математических моделей рабочих процессов ДВС, которое объясняет- ся разноплановостью целей моделирования, необходимо выбрать наиболее подходящий. Например, множество методов решений уравнений Навье-Стокса, полученных в рамках раз- личных моделей турбулентных реагирующих потоков, которые имеют либо эмпирические параметры, значения которых распространяются на конкретные, относительно простые объ- екты, либо требуют огромных вычислительных ресурсов. Поэтому при доводке рабочего процесса плодотворным может оказаться использование таких моделей, когда из множества физически реализуемых характеристик выгорания уже выбрана оптимальная и есть возмож- ность моделирования отдельных его элементов, например, формирование концентрационных полей при впрыске топливовоздушной струи, или процесса в целом. Для определения инте- гральных показателей цикла при варьировании его параметров необходимо иметь модель другого уровня. Для теоретического анализа рабочего процесса требуется математическая модель сго- рания. Поэтому целью данной работы является разработка математической модели сгорания. Для достоверного описания еще не исследованного рабочего процесса эмпирические пара- метры, содержащиеся в математической модели, должны иметь физически обоснованные ин- тервалы варьирования и при определенных значениях описывать процессы сгорания в бен- зиновых двигателях. Наиболее широкое распространение получила модель сгорания И.И. Вибе [3], поскольку из всех моделей именно она наиболее точно описывает процессы сгора- ния в различных типах поршневых ДВС при лишь двух опытных параметрах, обладающих известным интервалом изменения значений. Для анализа предлагаемого рабочего процесса требуется именно подобная модель, которая, во-первых, содержала бы минимум опытных параметров, во-вторых, имела бы параметры с тем же физическим смыслом. Она значитель- но упростила бы проведение сравнительного анализа при варьировании параметров сгорания и придала бы им наглядную физическую основу. Базой расчетной модели рабочего цикла служит двухзонное математическое моделиро- вание процесса сгорания с учетом стехиометрии, диссоциации продуктов сгорания, эмиссии монооксида азота на основе кинетики химических реакций. Двузонная модель процесса сго- рания построена на основе гипотезы абсолютного несмешения веществ зоны свежего заряда и зоны продуктов сгорания. В обеих зонах предполагается присутствие идеального газа, од- нородность давления и отсутствие пространственного градиента температур. Основой тер- модинамического анализа служат уравнения сохранения энергии и массы для обеих зон. В соответствии с моделью И.И. Вибе уравнение выгорания до момента самовоспламе- нения задается по формуле: φ-