namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2023-2-31-41nami-272Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTДвумерная модель расчёта образования вредных веществ в продуктах сгорания двигателя с искровым зажиганиемTwo-dimensional calculation model for hazardous substances formation in combustion products of a spark-ignition engineСергеевС. С.SergeevS. S.

Сергеев Сергей Сергеевич – канд. техн. наук, инженер-конструктор, Центр «Численный анализ и виртуальная валидация»

г. Москва 125438

PhD (Eng), design engineer, Center for Numerical Analysis and Virtual Validation

Moscow 125438

sergeev.ss@mail.ruГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian Federation202312072023023141Copyright © Сергеев С.С., 20232023Сергеев С.С.Sergeev S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/272

Введение (постановка задачи и актуальность). Улучшение экологических показателей двигателей внутреннего сгорания является одной из наиболее актуальных задач отечественного транспортного машиностроения. Расчётное сопровождение позволяет сократить время и повысить эффективность работ по доводке рабочего процесса на стенде с целью выполнения требуемых параметров. Статья посвящена разработке двумерной модели расчёта образования вредных веществ в продуктах сгорания двигателей с искровым зажиганием на основе неравновесных кинетических моделей образования оксидов азота и монооксида углерода.

Методология и методы

Методология и методы. Применяются методы численного решения дифференциальных уравнений (обыкновенных и в частных производных). Рассматривается неравновесная кинетика образования вредных веществ в продуктах сгорания. Расчёт рабочего процесса производится на основе комбинации сеточного метода контрольных объёмов и определения видимой скорости пламени на основе экспериментальных данных (с учётом стадии развития очага пламени).

Результаты и научная новизна. Предложен новый метод расчёта распространения пламени в двигателе с искровым зажиганием. Разработанная модель сочетает в себе такие преимущества, как хорошая предсказательная способность и малое время счёта.

Практическая значимость

Практическая значимость. Модель может быть применена, в частности, для предварительного планирования трёхмерных расчётов рабочего процесса или их проверки в случае отсутствия экспериментальных данных (на стадии эскизного/концептуального проектирования). Результаты расчётов могут быть использованы в качестве исходных данных для моделирования системы дополнительной очистки отработавших газов.

Introduction (problem statement and relevance). Improvement of environmental parameters of internal combustion engines is one of the most relevant tasks of the domestic transport engineering. Calculation support allows reducing the time and raising the efficiency of works for refining of the bench work process in order to meet the required parameters. The paper is devoted to development of a two-dimensional calculation model for hazardous substances formation in combustion products of spark-ignition engines based on the non-equilibrium kinetic models of formation of nitrogen oxides and carbon monoxide.

Methodology and research methods. Computational methods for differential equations (ordinary and partial ones) are applied. Non-equilibrium kinetics of hazardous substances formation in combustion products is considered. The work process is calculated based on a combination of the mesh control-volume method and determination of the observable flame rate based on the experimental data (taking into account the development stage of the flame source).

Scientific novelty and results. The new calculation method for flame propagation in the spark-ignition engine is suggested. The developed model combines such advantages as good predictability and short time of calculation.

Practical significance. The model can be applied, in particular, to preliminary planning of three-dimensional calculations of the work process or their check in the absence of experimental data (at the stage of preliminary/concept design). The calculation results can be used as initial data for modeling of the exhaust gas aftertreatment (additional purification) system.

двигатель внутреннего сгорания (ДВС)оксиды азотаметод контрольных объёмовinternal combustion engine (ICE)nitrogen oxidescontrol-volume methodReferencesКутенёв В.Ф., Теренченко А.С. Современное состояние развития двигателей внутреннего сгорания для колëсных транспортных средств Российской Федерации // Труды НАМИ. – 2018. – № 4 (275). – С. 6–16.Kutenev V.F., Terenchenko A.S. [The current state of internal combustion engines development of wheeled vehicles in the Russian Federation]. Trudy NAMI, 2018, no. 4 (275), pp. 6–16. (In Russian)Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 720 с.Kavtaradze R.Z. [Theory of piston engines. Special chapters: a textbook for universities]. Moscow, BMSTU Publ., 2008, 720 p. (In Russian)Merker G., Schwarz (Hrsg) С. Grundlagen Verbrennungsmotoren. Simulation der Ge-mischbildung, Verbrennung, Schadstoff bildung und Aufl adung. Praxis. – Wiesbaden. Vieweg+Teubner Verlag, 2012. – 795 s.Merker G., Schwarz (Hrsg) С. Grundlagen Verbrennungsmotoren. Simulation der Ge-mischbildung, Verbrennung, Schadstoff bildung und Aufl adung. Praxis. Wiesbaden. Vieweg+Teubner Verlag, 2012. 795 s.Леонтьев А.И., Кавтарадзе Р.З., Шибанов А.В., Зеленцов А.А., Сергеев С.С. Влияние формы камеры на нестационарные процессы переноса и турбулентного сгорания в дизеле, конвертированном в газовый двигатель // Известия РАН. Энергетика. – 2009. – № 2. – С. 49–63.Leont‘ev A.I., Kavtaradze R.Z., Shibanov A.V., Zelentsov A.A., Sergeev S.S. [The combustion chamber share influence on unsteady transport and turbulent combustion processes in diesel, converted in gas-engine]. Izvestiya RAN. Energetika, 2009, no. 2, pp. 49–63. (In Russian)Козлов А.В., Фёдоров В.А., Милов К.В. Улучшение энергоэффективности газового двигателя 6ЧН13/15 с циклом Миллера путём оптимизации фаз газораспределения // Труды НАМИ. – 2021. – № 4 (287). – С. 41–52. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-4-41-52.Kozlov A.V., Fedorov V.A., Milov K.V. [Improving the energy efficiency of a 6ChN13/15 gas engine with a Miller cycle by optimizing the valve timing]. Trudy NAMI, 2021, no. 4 (287), pp. 41–52. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-4-41-52. (In Russian)Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 472 с.Kavtaradze R.Z. [Local heat transfer in piston engines]. Moscow, BMSTU Publ., 2007. 472 p. (In Russian)Chindapraser N. Thermodynamic based prediction Model for NO x and CO Emissions from a Gasoline Direct Injection Engine. – Universität Rostock, 2007, Dissertation. – 123 s.Chindapraser N. Thermodynamic based prediction Model for NOx and CO Emissions from a Gasoline Direct Injection Engine. Universität Rostock, 2007, Dissertation. 123 s.Кутенёв В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Платунов А.С. Методика расчёта процесса окисления азота для системы горения с послойным распределением смеси // Труды НАМИ. – 2011. – № 247. – С. 84–100.Kutenev V.F., Fomin V.M., Khripach N.A., Platunov A.S. [Method of calculation of the nitrogen oxidation process for a combustion system with stratified distribution of the mixture]. Trudy NAMI, 2011, no. 247, pp. 84–100. (In Russian)Ratzke A., Hennecke C., Dinkelacker F. Simulating the Combustion and Near-Wall Flame Extinction of a Methane Gas IC Engine by Employing a Zonal Cylinder Model / CIMAC Congress 2013, Shanghai.Ratzke A., Hennecke C., Dinkelacker F. Simulating the Combustion and Near-Wall Flame Extinction of a Methane Gas IC Engine by Employing a Zonal Cylinder Model. CIMAC Congress 2013, Shanghai.Perini F., Mattarelli E., Paltrinieri F. A quasidimensional combustion model for performance and emissions of SI engines running on hydrogen–methane blends // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – V. 35. – P. 4687–4701.Perini F., Mattarelli E., Paltrinieri F. A quasi-dimensional combustion model for performance and emissions of SI engines running on hydrogen–methane blends. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, vol. 35, pp. 4687–4701.Сонкин В.И. Энергоэффективность автомобильного бензинового двигателя: актуальные подходы // Труды НАМИ. – 2020. – № 4 (283). – С. 109–122. DOI: 10.51187/0135-3152-2020-4-109-122.Sonkin V.I. [Energy efficiency of automotive gasoline engine: current approaches]. Trudy NAMI, 2020, no. 4 (283), pp. 109–122. DOI: 10.51187/0135-3152-2020-4-109-122. (In Russian)Kaden A., Dr. Klumpp R., Enderle C. Analyse der Restgasverträglichkeit beim Ottomotor – Ergänzung der Verbrennungsdiagnostik durch die 3D-Motorprozessberechnung // 6. In-ternationales Symposium für Verbrennungsdiagnostik, 2002. – S. 57–67.Kaden A., Dr. Klumpp R., Enderle C. Analyse der Restgasverträglichkeit beim Ottomotor – Ergänzung der Verbrennungsdiagnostik durch die 3D-Motorprozessberechnung. 6. In-ternationales Symposium für Verbrennungsdiagnostik, 2002, s. 57–67.Pischinger R., Klell M., Sams T. Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Der Fahrzeugantrieb. – Wien. Springer-Verlag, 2002.Pischinger R., Klell M., Sams T. Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Der Fahrzeugantrieb. Wien. Springer-Verlag, 2002.Щелкин К.И. Избранные труды / под ред. д-ра техн. наук, проф. Б.Г. Лобойко. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2011. – 268 с.Shchelkin K.I. [Selected works. Ed. by Dr. tech. sciences, prof. Loboiko B.G.]. Snezhinsk, RFYaTs-VNI-ITF Publ., 2011. 268 p. (In Russian)Сергеев С.С. Двумерная модель для расчёта рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием // Математическое моделирование. – 2021. – Т. 33. – № 12. – С. 21–32.Sergeev S.S. [Two dimensional model for calculation of the working process of spark ignited engine]. Matematicheskoe modelirovanie, 2021, vol. 33, no. 12, pp. 21–32. (In Russian)Numpy. URL: http://numpy.scipy.org (дата обращения: 10.01.2023).Numpy. Available at: http://numpy.scipy.org (accessed 10 January 2023).Басевич В.Я., Беляев А.А., Посвянский В.С., Фролов С.М. Механизмы окисления и горения нормальных парафиновых углеводородов: переход от С1 – С10 к С11 – С16 // Химическая физика. – 2013. – Т. 32. – № 4. – С. 87.Basevich V.Ya., Belyaev A.A., Posvyanskii V.S., Frolov S.M. Mechanisms of the oxidation and combustion of normal paraffin hydrocarbons: transition from С 1 – С 10 to С 11 –С 16 . Russian Journal of Physical Chemistry, 2013, vol. 7, no. 2, pp. 161–169.Kee R.J., Rupley F.M., Meeks E., Miller J.A. CHEMKIN III: A FORTRAN Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-phase Chemical and Plasma Kinetics. – Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94551-0969.Kee R.J., Rupley F.M., Meeks E., Miller J.A. CHEMKIN III: A FORTRAN Chemical Kinetics Pack-age for the Analysis of Gas-phase Chemical and Plasma Kinetics. Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94551-0969.McBride B.J., Zehe M.J., Gordon S. NASA Glenn Coefficients for Calculating Thermodynamic Properties of Individual Species / NASA TP-211556, 2002.McBride B.J., Zehe M.J., Gordon S. NASA Glenn Coefficients for Calculating Thermodynamic Properties of Individual Species. NASA TP-211556, 2002.Grajetzki P., et al. A novel reactivity index for SI engine fuels by separated weak flames in a micro flow reactor with a controlled temperature profi le // Fuel. – 2019. – V. 245. – P. 429–437.Grajetzki P., et al. A novel reactivity index for SI engine fuels by separated weak flames in a micro flow reactor with a controlled temperature profi le. Fuel, 2019, vol. 245, pp. 429–437.Han R., Reitz R. A temperature wall function formulation for variable-density turbulent flows with application to engine convective heat transfer modeling // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1997. – V. 40. – No. 3. – P. 613–625.Han R., Reitz R. A temperature wall function formulation for variable-density turbulent flows with application to engine convective heat transfer modeling. Int. J. Heat Mass Transfer, 1997, vol. 40, no. 3, pp. 613–625.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.